DE60217456T2

DE60217456T2 - Abreibbare Beschichtung für Mantelringe von Gasturbinen

Info

Publication number: DE60217456T2
Application number: DE60217456T
Authority: DE
Inventors: Philippe Le Biez; Joel Vigneau
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2022-11-09
Also published as: US6830428B2; FR2832180B1; US20030175116A1; FR2832180A1; DE60217456D1; EP1312761A1; EP1312761B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft mit Abriebbeschichtungen versehene Gasturbinenwände, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, wie Verdichtergehäuse und Turbinenringe, und insbesondere Hochdruckverdichtergehäuse und Hochdruckturbinenringe.
Ein Turbinenring ist von einer Vielzahl von aneinanderstoßenden Ringsektoren gebildet, die eine Anordnung von durch die Verbrennungsgase bewegten umlaufenden Schaufeln umgeben. Um die Widerstandsfähigkeit der Ringsektoren, deren Strukturteil metallisch ist, gegenüber den im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen (die bei der Hochdruckturbine 1600°C bis 1650°C erreichen können) zu gewährleisten, ist bekannt, sie auf der Seite ihrer Flächen, die den Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, mit einem Wärmeschutz zu versehen. Typischerweise kann der Wärmeschutz von einer Schicht aus Keramik oder aus einer feuerfesten Metallzusammensetzung gebildet sein, die üblicherweise durch physikalische Abscheidung, beispielsweise durch thermisches Spritzen, wie Plasmaabscheidung gebildet wird.
Ein Verdichtergehäuse umfaßt auch eine oder mehrere ringförmige Struktur(en), die von einer Vielzahl von aneinanderstoßenden Ringsektoren gebildet sein können und die gegenüber einer oder mehreren Schaufelanordnung(en) mit Relativdrehbewegung zwischen den Schaufeln und den ringförmigen Strukturen gelegen sind.
Um den bestmöglichen Leistungsgrad der Turbomaschine zu gewährleisten, ist es unbedingt erforderlich, das Entweichen von Gas zwischen den Spitzen der Schaufeln und der gegenüberliegenden Fläche des Verdichtergehäuses oder des Turbinenrings, ein Entweichen, das nicht zum Betrieb der Turbomaschine beiträgt, zu vermeiden oder wenigstens auf ein Minimum zu begrenzen. Das Streben nach einer Spielfreiheit oder einem minimalen Spiel führt dazu, daß Kontakte zwischen den Spitzen der Schaufeln und dem gegenüberliegenden Material unvermeidbar sein können. Aufgrund der üblichen Härte dieses Materials können derartige Kontakte die Schaufelspitzen zerstören.
Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, die Abriebbarkeit des gegenüber den Schaufeln befindlichen Materials zu verbessern, d.h. dessen Fähigkeit, durch die Spitzen der Schaufeln physisch „angegriffen" zu werden, ohne einen erheblichen Verschleiß derer zu bewirken. Eine zu diesem Zweck bekannte Technik für ein Material zur Beschichtung eines Turbinenrings besteht darin, eine erhebliche Porosität zu erzeugen, beispielsweise dadurch, daß hohle Kugeln oder Polymerteilchen der für die Ausführung des Materials verwendeten Zusammensetzung beigemischt werden. Die Porosität, welche durch die Hohlräume, die durch die hohlen Kugeln oder durch das Verschwinden der Polymerteilchen bei Wärme erzeugt werden, erhalten wird, kann 10 % bis 20 %, sogar höchstens etwa 30 % des Gesamtvolumens des Materials erreichen. Es kann insbesondere auf die Patentschriften GB 2152079 Bezug genommen werden.
Wenn die Erzeugung der Porosität zu einem weicheren Material führt, also einem Material, daß eine verbesserte Abriebeigenschaft aufweist, so geschieht dies jedoch auf Kosten der Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen.
Es ist auch aus dem Dokument EP 1 111 195 ein Abriebmaterial bekannt, in dem Vertiefungen ausgebildet sind. Bei wenigstens zwei Dritteln der Abriebfläche weicht die Richtung der die Vertiefungen umgebenden Nuten um wenigstens 30° gegenüber der Bewegungsrichtung der Schaufeln ab.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, einen ringförmigen Teil einer Gasturbine, wie ein Verdichtergehäuse oder einen Turbinenring zu liefern, der eine Beschichtung hat, die ein hohe Abriebeigenschaft aufweist und gleichzeitig eventuell einen wirkungsvollen Wärmeschutz bietet.
Erreicht wird dieses Ziel dank einer Anordnung nach Anspruch 1.
Die Ausbildung von Vertiefungen in der Beschichtung ermöglicht, die Abriebeigenschaft beträchtlich zu erhöhen. Denn aufgrund des Vorhandenseins der Vertiefungen kann der äußere Teil der Beschichtung, in dem die Vertiefungen ausgebildet sind, einen Hohlraumanteil, vergleichbar mit einer Porosität, von über 40 %, beispielsweise zwischen 40 % und 60 % aufweisen, ohne die mechanische Festigkeit der Beschichtung zu beeinträchtigen.
Die Tatsache, daß die Wände der Vertiefungen eine Vielzahl von durchgehenden Wegen oder Bahnen zwischen den Seiten des Rings bilden, ermöglicht das Vermeiden der Bildung von Austrittsdurchlässen im Bereich der Oberfläche des Rings im Falle eines Eindringens des Endes einer Schaufelspitze in die Beschichtung, wodurch eine umlaufende einschneidende Rille der Wände der Vertiefungen erzeugt wird.
Die Tiefe der Vertiefungen wird größer als die geschätzte maximale Eindringtiefe der Schaufelspitzen in die Beschichtung gewählt und bleibt dabei begrenzt, um die Beschichtung nicht zu verspröden. Bevorzugt wird ein Wert zwischen 0,3 mm und 1 mm.
So weisen die Waben einen viereckigen, beispielsweise quadratischen Querschnitt auf und sind durch Wände, die an der Oberfläche der Beschichtung ein Gitternetz bilden, getrennt.
Die Erfindung betrifft auch eine Gasturbine mit einer Anordnung von umlaufenden Schaufeln, die von einem ringförmigen Teil, wie er oben definiert ist, umgeben ist.
Die Schaufeln können Spitzen mit gefasten Rändern aufweisen, um deren Eindringen in die Abriebbeschichtung zu erleichtern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden unterrichtenden, aber als nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt, besser verständlich; in diesen zeigen:
1 eine sehr schematische Perspektivansicht eines Turbinenringsektors einer Turbomaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine abgewickelte Ansicht der Abriebbeschichtung des Ringsektors der 1;
3 eine Halbschnittansicht eines Turbinenrings, der von Sektoren, wie dem der 1 gebildet ist;
4 eine schematische Detailansicht in der Perspektive einer Schaufelspitze einer Hochdruckturbine;
5 eine Schnittansicht entlang der Ebene V-V der 4; und
– die 6 bis 8 abgewickelte Ansichten weiterer Ausführungsformen von Abriebbeschichtungen von Turbinenringsektoren.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 und 2 zeigen in der Perspektive bzw. in einer abgewickelten Vorderansicht einen Ringsektor 20, der dadurch, daß eine Vielzahl von Sektoren in Umfangsrichtung aneinander angeordnet werden, ermöglicht, einen Turbinenring 10, wie er im Schnitt in 3 dargestellt ist, zu bilden, beispielsweise einen Ring einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine. Der Ring 10 umgibt eine von einer Vielzahl von Schaufeln 12 gebildete umlaufende Anordnung, wobei das Spiel zwischen der Innenfläche des Rings und den Spitzen 14 der Schaufeln null oder quasi null ist.
Der Ringsektor 20 umfaßt einen metallischen Strukturträger 22, der auf der Innenseite mit einer Wärmeschutzabriebbeschichtung 24 versehen ist, in welche die Spitzen der Schaufeln 10 teilweise eindringen können, ohne einen hohen Verschleiß zu erfahren. In dem dargestellten Beispiel erstreckt sich die Abriebbeschichtung zwischen zwei Rändern 22a, 22b, welche die axialen Enden des Ringsektors bilden.
Der Träger 22 besteht aus einem metallischen Material, das geeignet ist, relativ hohen Temperaturen standzuhalten, beispielsweise aus einer Superlegierung auf Ni- oder Co-Basis.
Die Abriebbeschichtung 24 besteht aus einem Material, das eine zufriedenstellende Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen aufweist. Es können je nach den im Betrieb auftretenden Temperaturen unterschiedliche Materialien in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel:

– Superlegierung vom Typ MCrAlY (wobei M ein Metall ausgewählt aus Fe, Ni und Co ist), Keramiken, beispielsweise Zirkonoxid (ZrO₂), dem eventuell weitere feuerfeste Oxyde, zum Beispiel Yttriumoxid (Y₂O₃) zugegeben sind.

Abgeschieden wird das Material der Abriebbeschichtung auf dem Träger 20 mit Hilfe eines physikalischen Abscheideverfahrens, beispielsweise durch thermisches Pulverspritzen unter Verwendung der bekannten Plasmaabscheidetechniken, oder durch Löten von Vorformen, die durch Verfahren zur Verwendung von Pulvern erhalten werden, die Form-, Entbinderungs- und Sinterphasen umfassen.
In dem Abriebmaterial werden Vertiefungen 26 gebildet, die sich an dessen exponierter Oberfläche öffnen. In dem Beispiel der 1 bis 3 sind die Vertiefungen Waben 26 mit viereckigem, insbesondere quadratischem Querschnitt. Sie erstrecken sich über eine Tiefe h, die kleiner als die Gesamtdicke e der Beschichtung ist.
Die Tiefe h ist wenigstens gleich der und vorzugsweise etwas größer als die geschätzte maximale Eindringtiefe der Schaufeln in das Abriebmaterial bei einer Überlagerung zwischen den umlaufenden Schaufeln und dem Turbinenring. Für die Tiefe h wird ein Wert zwischen 0,3 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,8 mm gewählt werden. Was die Gesamtdicke e anbelangt, so liegt diese vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 1,2 mm.
Die Waben 26 können durch Materialabheben nach der Abscheidung des Wärmeschutzmaterials gebildet werden. Es können verschiedene bekannte Bearbeitungsverfahren, wie Fräsen, Bohren, Elektroerosion, Elektrochemie, chemische Bearbeitung, Laserbearbeitung, abrasiver Wasserstrahl, Ultraschallbearbeitung eingesetzt werden. In einer Variante können die Waben 26 durch Formen einer Vorform, die aus den Pulvern, die das Abriebmaterial bilden sollen, besteht, mittels einer Form, die ein zu dem Relief der Waben umgekehrtes Relief aufweisen, gebildet werden.
Die Waben 26 sind durch Wände 27 getrennt. Die Wände 27 haben eine Dicke E, die es ihnen ermöglicht, eine ausreichende mechanische Festigkeit aufzuweisen. Je nach dem für die Beschichtung 24 verwendeten Material wird für E ein Wert zwischen etwa 1 mm und 2 mm gewählt. Bei Vertiefungen mit viereckigem Querschnitt bilden die Wände 27 ein Gitternetz entlang zweier Hauptrichtungen, die gegenüber einer zu einer Rotationsachse der umlaufenden Anordnung senkrechten Ebene, wie der Radialebene P, Winkel α und 90° –α bilden.
Die Abmessungen der Vertiefungen, im Vergleich zu der axialen Abmessung des Rings 10 werden derart gewählt, daß die Wände 27 eine Vielzahl von durchgehenden, voneinander beabstandeten Wegen oder Bahnen zwischen den Rändern des axialen Endes des Rings bilden. Ein solcher durchgehender Weg ist durch die gestrichelte Linie 30 der 2 gezeigt. Auf diese Weise wird im Falle einer Überlagerung zwischen den Schaufeln und dem Turbinenring, die durch die Bildung einer durchgehenden Rille in dem Abriebmaterial zum Ausdruck kommt, das Risiko eines beträchtlichen umfangseitigen Lecks für die die Turbine durchströmenden Gase vermieden.
Gemäß der Erfindung wird vermieden, daß eine der Richtungen der Wände zur Hauptrichtung der Endteile der Schaufeln, die geeignet sind, mit dem Abriebmaterial in Kontakt zu gelangen, im wesentlichen parallel verläuft, um die eventuellen Reibungen zwischen diesen Endteilen und dem Abriebmaterial und folglich den Verschleiß zu begrenzen. So weicht der Winkel α im Vergleich zum Einstellwinkel γ der Schaufelendteile um wenigstens 5° ab, wie dies in gestrichelten Linien in 2 dargestellt ist.
Darüber hinaus wird der Winkel α derart gewählt, daß die Wände der Waben angeordnet werden, damit jeder Punkt des Endes einer Schaufel, das veranlaßt wird, sich mit der Abriebbeschichtung zu überschneiden oder zu überlagern, im wesentlichen ein gleiches Volumen an Abriebmaterial vorfindet. So wird der Winkel α, welcher der kleinere der beiden Winkel ist, die von den Hauptrichtungen der Wände gegenüber der Ebene P gebildet werden, vorzugsweise zwischen 0° und 20°, insbesondere zwischen 5° und 15° gewählt.
Wie 5 zeigt, kann ein Rand oder können die beiden Ränder 14a, 14b der Schaufelspitze 14, welche die an dieser Spitze vorhandene Vertiefung 16, oder „Badewanne", säumen, (an 15a, 15b) gefaßt sein, um das Eindringen in das Abriebmaterial zu erleichtern.
Die Bildung der Waben ermöglicht, – in dem Teil der Abriebbeschichtung, über dessen Dicke sich die Waben erstrecken – eine „Porosität" oder einen Hohlraumanteil von wenigstens 40 % zu erreichen, die bzw. der leicht 60 % erreichen kann. Die „Porosität" oder der Hohlraumanteil ist hier als der Prozentsatz des Volumens definiert, das von den Waben im äußeren Teil der Abriebbeschichtung, welcher geeignet ist, sich mit den Schaufelspitzen zu überschneiden oder zu überlagern, eingenommen ist.
Selbstverständlich können gleichwertige Ergebnisse mit polygonalen Vertiefungen, die andere Querschnitte als quadratische oder viereckige aufweisen, erzielt werden.
Man wird bestrebt sein, den Wänden zwischen den Vertiefungen oder wenigstens der Mehrheit unter ihnen eine Richtung zu verleihen, die zu einer Radialebene nicht parallel ist.
So zeigt 6 eine Abriebbeschichtung, die sich von derjenigen der 2 dadurch unterscheidet, daß die Waben 26 einen sechseckigen Querschnitt mit zwei parallelen Seiten, die den Winkel α gegenüber der Ebene P bilden, aufweisen.
Die 7 und 8 zeigen Vertiefungen 28, die nicht in Form von Waben, sondern in Form von durchgehenden Umfangsnuten, die durch Wände 29 getrennt sind, vorliegen.
Die Wände 29 bilden eine Vielzahl von Nuten, die sich durchgehend in Umfangsrichtung erstrecken, so daß sich zwischen den Endkanten des Turbinenrings mehrere voneinander beabstandete Wände 29 befinden.
Die Wände 29 können eine Hauptrichtung aufweisen, die zu einer Radialebene P parallel verläuft oder gegenüber dieser leicht geneigt ist.
Um nicht eine durchgehende Umfangswand gegenüber einem Rand einer Schaufelspitze, die geeignet ist, sich mit dem Ring zu überlagern, aufzuweisen, folgen die Wände 29 einem nicht geradlinigen Weg.
In dem Beispiel der 7 folgen die Wände 29 einem gewellten Weg. Der Winkel α, welcher durch die Tangente an die Wände 29 gegenüber einer Radialebene P gebildet wird, schwankt zwischen 0° und β. Vorzugsweise wird für den Maximalwert β ein Winkel von 20° gewählt.
In dem Beispiel der 8 folgen die Wände 29 einem Weg in Form einer geknickten Linie. Der Winkel α, der durch die Abschnitte der Wände 28 gegenüber einer Radialebene P gebildet wird, wird vorzugsweise so gewählt wie weiter oben für die Ausführungsform der 2 angegeben, und zwar zwischen –20° und +20°, insbesondere zwischen –10° und +10°.
Versuche
Ein Ringsektor wurde wie in 1 abgebildet mit einem Abriebmaterial hergestellt, das aus einer NiCrAl-Legierung besteht, die hohle Kugeln aus einem Tonerdesilikatmaterial enthält. Das Abriebmaterial wurde durch Plasmaabscheidung auf dem Metallträger abgeschieden.
Vertiefungen in Form von Waben mit quadratischem Querschnitt wurden durch Elektroerosionsbearbeitung gebildet. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Werkzeug (Elektrode) durch Fräsen von ein Gitternetz bildenden Nuten in einem Kupferblock ausgebildet. Die Waben wurden in einem einzigen Vorgang eines Eintauchens der Elektrode in das Abriebmaterial erhalten.
Vertiefungen mit einer Seite von gleich 2 mm wurden über eine Tiefe von 0,7 mm ausgebildet, wobei sie durch Wände mit einer Dicke von gleich 1 mm getrennt waren, wobei die Gesamtbreite der Abriebbeschichtung gleich mehr als 20 mm betrug.
Es wurde ein Versuch mit Hilfe eines Rotors mit drei an seinem Umfang verteilten Schaufelenden, mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 200 m/s, einer Eindringgeschwindigkeit in das Abriebmaterial von 0,15 mm/s und einer Gesamteindringtiefe von 0,5 mm durchgeführt.
Zum Vergleich wurde ein Versuch ohne die Bildung von Waben in dem Abriebmaterial durchgeführt, wobei die anderen Versuchsbedingungen identisch waren.
Die nachstehende Tabelle liefert die Ergebnisse der durchgeführten Messungen der Tangential-, Radial- und Axialkräfte während des Eindringens und des Verschleißes des Endes der Schaufel nach dem Versuch.
Mit einem gemäß der Erfindung hergestellten Abriebmaterial wurden die gemessenen Kräfte wenigstens halbiert und der festgestellte Verschleiß etwa gedrittelt.
Obwohl in der vorangehenden Beschreibung die Anwendung auf einen Turbinenring betrachtet worden ist, so ist die Erfindung auch für Abriebbeschichtungen von Verdichtergehäusen anwendbar. In diesem Fall haben die Abriebbeschichtungen nicht die gleiche Wärmeschutzfunktion wie bei Turbinenringen. Sie können beispielsweise aus einer Legierung auf Aluminium- oder Nickelbasis gefertigt sein, die eventuell unter Zugabe von organischen Teilchen, von Graphitteilchen, von organischen Hohlkugeln und/oder von keramischen Hohlkugeln verwendet wird. Abgesehen von der Zusammensetzung können die anderen Merkmale der Abriebmaterialien mit denjenigen der vorbeschriebenen Beschichtungen von Turbinenringen identisch sein.

Claims

Gasturbinenanordnung umfassend einen ringförmigen Teil, der gegenüber einer Anordnung von umlaufenden Schaufeln angebracht ist, wobei der ringförmige Teil mit einer Beschichtung aus Abriebmaterial versehen ist, wobei die Beschichtung (24) Vertiefungen (26) mit viereckigem Querschnitt aufweist, die sich zur Oberfläche der Beschichtung hin öffnen, sich über einen Teil der Dicke der Beschichtung erstrecken und durch Wände (27) begrenzt sind, die eine Vielzahl von durchgehenden Bahnen an der Innenfläche des ringförmigen Teils zwischen axialen Endseiten dessen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Wände (27) Hauptrichtungen hat, die einen Winkel zwischen 0° und 20° gegenüber einer zu einer Rotationsachse der Schaufeln senkrecht verlaufenden Radialebene (P) bilden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen eine Tiefe zwischen 0,3 mm und 1mm haben.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil der Beschichtung (24), in dem die Vertiefungen ausgebildet sind, einen Hohlraumanteil zwischen 40% und 60% aufweist.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der zwischen einem Teil der Wände (27) und der Radialebene (P) gebildet ist, zwischen 5° und 15° liegt.
Ringförmiger Teil eines Ringes einer Gasturbine, wobei der ringförmige Teil mit einer Beschichtung aus Abriebmaterial versehen ist, wobei die Beschichtung (24) Vertiefungen (26) mit viereckigem Querschnitt aufweist, die sich zur Oberfläche der Beschichtung hin öffnen, sich über einen Teil der Dicke der Beschichtung erstrecken und durch Wände (27) begrenzt sind, die eine Vielzahl von durchgehenden Bahnen an der Innenfläche des ringförmigen Teils zwischen axialen Endseiten dessen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Wände (27) Hauptrichtungen hat, die einen Winkel zwischen 0° und 20° gegenüber einer zur Achse des ringförmigen Teils senkrecht verlaufenden Ebene bilden.
Gasturbinenring umfassend wenigstens einen ringförmigen Teil nach Anspruch 5.
Verdichtergehäuse für eine Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Anordnung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt.
Turbine umfassend eine Anordnung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4.
Turbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (20) Spitzen (24) haben, die Ränder (14a, 14b) aufweisen, die mit Fasen (15a, 15b) versehen sind.