EP1284337A1 - Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten Gasturbinenschaufel und beschichtetes Gasturbinenschaufel - Google Patents

Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten Gasturbinenschaufel und beschichtetes Gasturbinenschaufel Download PDF

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EP1284337A1
EP1284337A1 EP02405661A EP02405661A EP1284337A1 EP 1284337 A1 EP1284337 A1 EP 1284337A1 EP 02405661 A EP02405661 A EP 02405661A EP 02405661 A EP02405661 A EP 02405661A EP 1284337 A1 EP1284337 A1 EP 1284337A1
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gas turbine
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turbine blade
ceramic
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Markus Oehl
Stefan Schlechtriem
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Definitions

  • the invention relates to a method for processing a ceramic Protective layer coated gas turbine part according to the preamble of the claim 1 and a coated gas turbine part according to the preamble of the claim 6th
  • Turbine blades that is to say guide vanes or rotor blades, are generally and widely known of gas turbines, to be provided with one or more protective layers, around the turbine blade before thermal and mechanical loads Protect oxidation or other harmful influences during operation and to extend the life of the turbine blade in this way.
  • a first protective layer of the turbine blade usually consists of a metallic one Alloy like MCrAIY, where M stands for Ni, Co or Fe. That kind of metallic Coating serves as protection against oxidation.
  • a second, rougher coating MCrAlY is applied to it with other coating parameters. This layer is also referred to as "bond coating".
  • Such coatings are numerous from the prior art and for example from US-A-3,528,861 or US-A-4,585,481.
  • TBC Thermal Barrier Coating
  • Ceramic coatings and methods for Coating can be found, for example, in the documents EP-A2-441 095, EP-A1-937,787, US-A-5,972,424, US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-4,321,311, US-A-4,676,994, US-A-5,894,053.
  • the applied protective layers have in usually a relatively high surface roughness. This surface roughness but influences the heat transfer in a positive way, so that the base material is increasingly thermally stressed with increasing roughness. To avoid this is a method for smoothing the surface, for example from writing EP-A2-1 088 908 known. On the other hand, it influences a polished one Surface the flow behavior and especially the detachment behavior negative.
  • the task is there further in producing a corresponding gas turbine part according to this method.
  • this object is achieved in a method according to the preamble of claim 1 solved in that the roughness of the already applied ceramic layer on the base material is reduced at least at a first point and the original roughness of the ceramic layer is maintained.
  • the invention also consists in a method according to the invention manufactured gas turbine part, the roughness of the ceramic protective layer compared to the original average roughness on at least one first position on the surface is reduced and at least a second position the original roughness of the ceramic protective layer on the surface is maintained.
  • the gas turbine part is a turbine blade which is coated with Y stabilized Zr oxide.
  • the roughness can only be found at at least one downstream point of the Turbine blade are maintained while the remaining surface of the turbine blade is smoothed.
  • the heat transfer is thus advantageously reduced, so that the heat transfer is deteriorated here, and the base material is improved with the same cooling capacity is cooled.
  • the ceramic remains Protective layer rough, so that a certain turbulence is generated there and the flow longer. The efficiency of the entire system is made simple by this Measures advantageously increased.
  • FIG. 1 schematically shows a section through a turbine blade 1 Gas turbine.
  • the turbine blade 1 has a ceramic surface 2 Protective layer 3 has been coated.
  • the ceramic protective layer 3 (English thermal Barrier Coating (TBC), which is Y stabilized Zr oxide, serves as Protection against the hot gas 4 flowing around the turbine blade 1, its streamlines are visible in Figure 1.
  • TBC English thermal Barrier Coating
  • Such ceramic coatings and coating methods are, for example from the documents EP-A2-441 095, EP-A1-937,787, US-A-5,972,424, US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-321, 311, US-A-4,676,994, US-A-5,894,053 known. It is known that the applied protective layer has a certain Has surface roughness.
  • the average roughness (Ra, average roughness) can be reduced at the first location 5 to a maximum of 1/3 of the original average roughness.
  • the roughness R T will thus be reduced, for example, from approximately 50 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • Such a smoothing of the TBC surface lowers the heat transfer coefficient by 20% to 30%. This therefore brings about a significantly improved protection of the base material 1 used against the hot gases 4 at these points 5.
  • a first embodiment Fig. 1
  • the release area 7 will are therefore smaller overall compared to a completely smoothed surface, there at the point 6 at risk of detachment, a certain turbulence, that of detachment counteracts, is preserved.
  • the remaining ceramic protective layer 3 is ground for the purpose of deteriorated heat transfer, ie reduced to a maximum of 1/3 of the original roughness. In practice, this means that the average roughness R a is less than 5 ⁇ m.
  • the heat transfer on the smoothly ground parts of the surface is thus advantageously reduced, so that the heat transfer is further deteriorated here and thus - with the same cooling output - the base material is cooled better.
  • the invention is not reduced to the exemplary embodiments described, but rather generally refers to gas turbine parts 1 that have a ceramic protective layer 3 are coated.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bearbeiten einer keramischen Schutzschicht (3), welche auf der Oberfläche (2) eines Gasturbinenteils (1) aufgetragen wird, offenbart. Die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) wird an mindestens einer ersten Stelle (5) reduziert und an mindestens einer zweiten Stelle (6) in der ursprünglichen Rauhigkeit beibehalten. Vorteilhaft wird an ablösegefährdeten Stellen (6) einer Turbinenschaufel (1) die Rauhigkeit beibehalten, während die Rauhigkeit der restlichen Oberfläche (2) zum Zweck eines verschlechterten Wärmeübergangs zur umgebenden Heissgasströmung reduziert wird. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines mit einer keramischen Schutzschicht beschichteten Gasturbinenteils gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein beschichtetes Gasturbinenteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
STAND DER TECHNIK
Es ist allgemein und zahlreich bekannt, Turbinenschaufeln, also Leit- oder Laufschaufeln von Gasturbinen, mit einer oder mehreren Schutzschichten zu versehen, um die Turbinenschaufel vor den thermischen und mechanischen Belastungen, vor Oxidation oder anderen, schädlichen Einflüssen während des Betriebes zu schützen und die Lebensdauer der Turbinenschaufel auf diese Weise zu verlängern. Dabei besteht eine erste Schutzschicht der Turbinenschaufel in der Regel aus einer metallischen Legierung wie MCrAIY, wobei M für Ni, Co oder Fe steht. Diese Art der metallischen Beschichtung dient als Schutz vor Oxidation. Eine zweite, rauhere Beschichtung aus MCrAlY wird mit anderen Beschichtungsparametern darauf aufgetragen. Diese Schicht wird auch als "bond-coating" bezeichnet. Solche Beschichtungen sind zahlreich aus dem Stand der Technik und beispielsweise aus US-A-3,528,861 oder US-A-4,585,481 bekannt.
Zudem wird eine weitere Schutzschicht aus TBC (Thermal Barrier Coating), welche aus einem keramischen Material (Y stabilisiertes Zr-Oxid) besteht und als thermischer Schutz dient, aufgebracht. Keramische Beschichtungen und Methoden zur Beschichtung sind beispielsweise aus den Schriften EP-A2-441 095, EP-A1-937,787, US-A-5,972,424, US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-4,321,311, US-A-4,676,994, US-A-5,894,053 bekannt. Die aufgetragenen Schutzschichten haben in der Regel eine relativ hohe Oberflächenrauhigkeit. Diese Oberflächenrauhigkeit beeinflusst aber den Wärmeübergang auf positive Weise, so dass das Grundmaterial mit zunehmender Rauhigkeit thermisch verstärkt belastet wird. Um dies zu vermeiden ist ein Verfahren zur Glättung der Oberfläche beispielsweise aus der Schrift EP-A2-1 088 908 bekannt. Auf der anderen Seite beeinflusst eine aber geschliffene Oberfläche das Strömungsverhalten und insbesondere das Ablöseverhalten negativ.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Wärmeübergang von einem mit einer keramischen Schutzschicht beschichteten Gasturbinenteil, um welches ein Heissgas strömt, zu dem Heissgas verschlechtert wird, so dass ein verbesserter Schutz des Grundmaterials des Gasturbinenteils erreicht wird. Gleichzeitig soll das Strömungsverhaltensverhalten um das Gasturbinenteil und damit der Wirkungsgrad der gesamten Anlage positiv beeinflusst werden. Die Aufgabe besteht weiter darin, ein entsprechendes Gasturbinenteil nach diesem Verfahren herzustellen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Rauhigkeit der bereits aufgetragenen keramischen Schicht auf dem Grundmaterial an mindestens einer ersten Stelle reduziert wird und an mindestens einer zweiten Stelle die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schicht beibehalten wird.
Die Erfindung besteht auch in einem nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Gasturbinenteil, wobei die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht im Vergleich mit der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit an mindestens einer ersten Stelle auf der Oberfläche reduziert ist und an mindestens einer zweiten Stelle auf der Oberfläche die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht beibehalten ist.
Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, die Rauhigkeit durch Schleifen, Sandstrahlen, Polieren, Trowalisieren, Bürsten oder auf andere, geeignete Arten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu reduzieren.
In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Gasturbinenteil um eine Turbinenschaufel, welche mit Y stabilisiertem Zr-Oxid beschichtet ist.
Um das Ablöseverhalten an der Oberfläche der Turbinenschaufel positiv zu beeinflussen, kann die Rauhigkeit an nur mindestens einer stromabgelegenen Stelle der Turbinenschaufel beibehalten werden, während die restliche Oberfläche der Turbinenschaufel glatt geschliffen wird. An den glatt geschliffenen Teilen der Oberfläche wird der Wärmeübergang damit vorteilhaft reduziert, so dass der Wärmeübergang hier verschlechtert wird, und bei gleicher Kühlleistung das Grundmaterial verbessert gekühlt wird. An den Stellen jedoch, an denen Ablösung droht, bleibt die keramische Schutzschicht rauh, so dass dort eine gewisse Turbulenz erzeugt wird und die Strömung länger anliegt. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage wird durch diese einfache Massnahmen vorteilhaft erhöht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert, wobei
Fig. 1
einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel zeigt, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren bearbeitet wurde und
Fig. 2
einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Turbinenschaufel zeigt, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren bearbeitet wurde.
Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente in unterschiedlichen Figuren sind gleich bezeichnet. Strömungsrichtungen werden durch Pfeile dargestellt.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel 1 einer Gasturbine. Die Turbinenschaufel 1 ist an der Oberfläche 2 mit einer keramischen Schutzschicht 3 beschichtet worden. Die keramische Schutzschicht 3 (engl. Thermal Barrier Coating, TBC), bei der es sich um Y stabilisiertes Zr-Oxid handelt, dient als Schutz vor dem die Turbinenschaufel 1 umströmenden Heissgas 4, dessen Stromlinien in der Figur 1 sichtbar sind.
Derartige keramische Beschichtungen und Verfahren zur Beschichtung sind beispielsweise aus den Schriften EP-A2-441 095, EP-A1-937,787, US-A-5,972,424, US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-321, 311, US-A-4,676,994, US-A-5,894,053 bekannt. Es dabei bekannt, dass die aufgetragene Schutzschicht eine gewisse Oberflächenrauhigkeit aufweist.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, die Rauhigkeit der bereits aufgetragenen keramischen Schicht 3 an mindestens einer ersten Stelle 5 an der Oberfläche zu reduzieren, während die Rauhigkeit an mindestens einer zweiten Stelle 6 wie nach dem Beschichtungsvorgang erhalten bleibt. Beispielsweise kann also die Durchschnittsrauhigkeit (Ra, average roughness) an der ersten Stelle 5 auf maximal 1/3 der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit reduziert werden. Die Rauhigkeit RT wird sich damit beispielsweise von etwa 50 µm auf 20 µm reduzieren. Eine solche Glättung der TBC Oberfläche senkt die Wärmeübergangszahl um 20% bis 30%. Dies bringt also einen deutlich verbesserten Schutz des eingesetzten Grundmaterials 1 vor den Heissgasen 4 an diesen Stellen 5.
Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, die Rauhigkeit durch Schleifen, Sandstrahlen, Polieren, Trowalisieren, Bürsten oder auf andere, geeignete Arten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu reduzieren. Zu Schleifen besonders geeignet sind Siliziumkarbid oder Diamanten, welche mit einer Kunststoffbindung auf Bändern oder Scheiben befestigt sind.
In einer ersten Ausführungsform (Fig. 1) kann die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht 3 an mindestens einer stromabgelegenen Stelle 6, an der die Ablösung der Heissgasströmung stattfindet, beibehalten werden. Das Ablösegebiet 7 wird somit insgesamt kleiner ausfallen im Vergleich mit einer gänzlich geglätteten Oberfläche, da an der ablösegefährdeten Stelle 6 eine gewisse Turbulenz, die der Ablösung entgegenwirkt, erhalten bleibt.
Die restliche keramische Schutzschicht 3 wird zum Zwecke eines verschlechterten Wärmeübergangs glattschliffen, d.h. auf maximal 1/3 der ursprünglichen Rauheit reduziert. Dies bedeutet für die Praxis, dass die Durchschnittsrauhigkeit Ra kleiner als 5 µm ist. An den glatt geschliffenen Teilen der Oberfläche wird der Wärmeübergang damit vorteilhaft reduziert, so dass der Wärmeübergang hier weiter verschlechtert wird, und somit ― bei gleicher Kühlleistung ― das Grundmaterial verbessert gekühlt wird.
Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage wird durch diese einfache Massnahmen vorteilhaft erhöht.
In der zweiten Ausführungsform der Turbinenschaufel 1 gemäss der Figur 2 wird die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht 3 an verschiedenen Stellen 6 an der stromabgelegenen Seite der Turbinenschaufel 1 beibehalten. Die Stellen 6 sind jedoch nicht zusammenhängend, sondern unabhängig voneinander. Diese Massnahme dient weiter dazu, das Ablöseverhalten positiv zu beeinflussen. Zwischen diesen Stellen 6 wird zum Zwecke des verschlechterten Wärmeübergangs die Rauhigkeit wiederum ganz reduziert.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsbeispiele reduziert, sondern bezieht sich allgemein auf Gasturbinenteile 1, die mit einer keramischen Schutzschicht 3 beschichtet sind.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Turbinenschaufel, Gasturbinenteil
2
Oberfläche der Turbinenschaufel 1
3
Keramische Schutzschicht
4
Heissgas
5
Stellen der Schutzschicht 3, bearbeitet
6
Stellen der Schutzschicht 3, unbearbeitet
7
Ablösegebiet

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bearbeiten einer keramischen Schutzschicht (3), welche auf der Oberfläche (2) eines Gasturbinenteils (1) aufgetragen wird, wobei die keramische Schutzschicht (3) nach dem Auftragen auf der Gasturbinenteil (1) eine gewisse Rauhigkeit aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rauhigkeit der bereits aufgetragenen keramischen Schicht (3) auf dem Grundmaterial (1) an mindestens einer ersten Stelle (5) reduziert wird und an mindestens einer zweiten Stelle (6) die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schicht (3) beibehalten wird.
  2. Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rauhigkeit der aufgetragenen keramischen Schicht (3) an der ersten Stelle (5) auf bis maximal 1/3 der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit reduziert wird.
  3. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gasturbinenteil (1) eine Turbinenschaufel (1) ist und die Rauhigkeit nur an mindestens einer der Strömung abgewandten und ablösegefährdeten Stelle (6) auf der Turbinenschaufel (1) beibehalten wird und auf der restlichen Oberfläche (2) der Turbinenschaufel (1) die Rauhigkeit reduziert wird.
  4. Bearbeitungsverfahren Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gasturbinenteil (1) mit Y stabilisiertem Zr-Oxid beschichtet wird.
  5. Bearbeitungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rauhigkeit durch Schleifen, Sandstrahlen, Polieren, Trowalisieren, Bürsten oder auf andere, geeignete Art reduziert wird.
  6. Gasturbinenteil (1) mit einer keramischen Schutzschicht (3), wobei die Schutzschicht (3) nach dem Auftragen auf das Gasturbinenteil (1) eine bestimmte Rauhigkeit aufweist, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) im Vergleich mit der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit an mindestens einer ersten Stelle (5) auf der Oberfläche reduziert ist und an mindestens einer zweiten Stelle (6) auf der Oberfläche die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) beibehalten ist.
  7. Gasturbinenteil (1) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) an der ersten Stelle (5) auf bis maximal 1/3 der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit reduziert ist.
  8. Gasturbinenteil (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gasturbinenteil (1) eine Gasturbinenschaufel (1) ist und die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) lediglich an mindestens einer der Strömung abgewandten und ablösegefährdeten Stelle (6) der Turbinenschaufel (1) beibehalten ist und Rauhigkeit der restlichen Oberfläche der keramischen Schicht (3) reduziert ist.
  9. Gasturbinenteil (1) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) an verschiedenen, unzusammenhängenden Stellen (6) der Turbinenschaufel (1) beibehalten ist und zwischen diesen Stellen (6) und die Rauhigkeit der restlichen Oberfläche der keramischen Schicht (3) reduziert ist.
  10. Gasturbinenteil (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gasturbinenteil (1) mit Y stabilisiertem Zr-Oxid beschichtet ist.
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