EP1957756A1 - Verfahren zum herstellen eines einlaufbelags - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines einlaufbelags

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EP1957756A1 EP06828577A EP06828577A EP1957756A1 EP 1957756 A1 EP1957756 A1 EP 1957756A1 EP 06828577 A EP06828577 A EP 06828577A EP 06828577 A EP06828577 A EP 06828577A EP 1957756 A1 EP1957756 A1 EP 1957756A1
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inlet
coating
temperature
run
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
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    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/40—Heat treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an inlet covering according to the preamble of claim 1.
  • Turbomachines such as gas turbines, typically comprise a plurality of rotating blades and a plurality of stationary guide blades, the blades rotating together with a rotor, and the blades and the guide blades being enclosed by a fixed housing.
  • This also includes the so-called sealing systems. Maintaining a minimal gap between the rotating blades and the fixed housing of a high-pressure compressor is particularly problematic in turbomachinery. With high-pressure compressors, high absolute temperatures and temperature gradients occur, which makes it difficult to maintain the gap between the rotating blades and the stationary housing.
  • shrouds such as those used in turbine blades are not used in compressor blades.
  • blades in the compressor do not have a shroud. Therefore, the ends or tips of the rotor blades are exposed to a direct frictional contact with the housing when they are rubbed into the fixed housing. Such a rubbing of the tips of the rotor blades into the housing is caused by manufacturing tolerances when a minimal radial gap is set. Since the frictional contact of the tips of the rotor blades removes the same material, an undesirable gap enlargement can occur over the entire circumference of the housing and rotor. To avoid this, it is already known from the prior art to armor the ends or tips of the rotor blades with a hard coating or with abrasive particles.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel method for producing an inlet covering.
  • the inlet covering provided is subjected to a heat treatment in order to improve its ability to run in.
  • the inlet lining produced according to the invention is preferably used in compressors or in low-pressure turbines.
  • the heat treatment pre-embosses the hardening and oxidation of the metallic matrix, which ultimately sets the desired hardness of the running-in covering and improves and stabilizes the running ability of the running-in covering. Due to the heat treatment of the provided run-in covering, the same is subjected to an artificial aging process, so to speak, so that it has a stable run-in behavior in later operation.
  • the heat treatment is carried out at a process temperature which is above the temperature to which the inlet lining is exposed to the maximum during operation of the turbomachine.
  • the process temperature of the heat treatment is 50 0 C to 200 0 C above the maximum operating temperature of the inlet lining.
  • the process duration of the heat treatment is between 1 hour and 200 hours.
  • the inlet coating provided is rinsed in a chemical solution or a chemical bath before the heat treatment. As a result, the process time of the subsequent heat treatment can be shortened.
  • the present invention relates to a method for producing an inlet lining on a stator-side component of a turbomachine, in particular on a housing section of a gas turbine aircraft engine.
  • the inlet covering provided is subjected to a heat treatment in order to optimize the ability to shrink.
  • the heat treatment is carried out at a process temperature which is above the temperature to which the inlet coating is maximally exposed during operation of the turbomachine.
  • the hardening and oxidation of the metallic matrix can be pre-embossed in the case of run-in coverings made of a metallic material, that is to say in the case of metallic run-in coverings, so that the run-in covering has an improved and stabilized running-in ability.
  • the hardness of the metallic inlet linings is optimized by the heat treatment, which is carried out at a process temperature above the maximum operating temperature of the inlet lining, in such a way that the inlet lining can be shrunk even at high operating temperatures and maintains this property over the operating time of the turbomachine.
  • the hardness of the inlet lining that arises during the heat treatment is determined by a superimposition of two effects, namely the hardening and the oxidation of the inlet lining, whereby the hardening of the inlet lining increases with increasing duration of the heat treatment, while the oxidation reduces the hardness of the inlet lining.
  • the hardness of the running-in surface can be set precisely by specifically selecting the duration of the heat treatment.
  • a porous inlet covering made of a NiCrAl material or of a CoNiCrAlY-hBN material is preferably provided as a metallic inlet covering by thermal spraying, which is then subjected to the heat treatment.
  • the process temperature of the heat treatment is to 5O 0 C to 200 0 C, preferably 100 ° C to 15O 0 C, above the maximum operating temperature of the run-in coating. If, during operation of the turbomachine, the running-in coating is exposed to operating temperatures between 450 0 C and 650 0 C, for example, the heat treatment is preferably carried out at a process temperature between 600 0 C and 800 0 C. At a maximum operating temperature of 65O 0 C, the heat treatment is preferably carried out at 75O 0 C.
  • the heat treatment of the running-in covering provided is carried out during a process time between 1 hour and 200 hours, preferably during a process time between 2 hours and 20 hours.
  • the process temperature of the heat treatment of the inlet lining of the respective stage is adapted to the corresponding maximum operating temperature.
  • a e.g. subjected to heat treatment in the manufacture of new parts or in the repair of the running-in covering after the provision thereof is carried out at a process temperature which is above the maximum operating temperature of the inlet coating and is carried out for a period of time adapted to the respective temperature.
  • the run-in covering provided is subjected to an artificial aging process, which can ultimately optimize and stabilize its running ability.
  • a provided, porous inlet coating is rinsed in a chemical solution before the heat treatment. After the winding, drying and then heat treatment take place, the solution remaining in the pores of the inlet coating after drying due to capillary effects.
  • the process time of the subsequent heat treatment can be shortened by the winding, since the solution particularly supports the oxidation of the metallic matrix.
  • the winding can e.g. in a solution of demineralized water and sodium hydroxide or sodium hydroxide solution.
  • the winding can be carried out in diethylene glycol monobutyl ether or in a solution of sodium hydroxide and monophenyl glycol and sodium cumene sulfonate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags, wobei auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, ein metallischer Einlaufbelag bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß wird der bereitgestellte Einlaufbelag zur Verbessung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Turbomaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, umfassen in der Regel mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von ,einem feststehenden Gehäuse umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Turbomaschinen die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich hohe absolute Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in das Gehäuse wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Spitzen der Laufschaufeln an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern.
Eine andere Möglichkeit, den Verschleiß an den Spitzen der Laufschaufeln zu vermeiden und für eine optimierte Abdichtung zwischen den Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse zu sorgen, besteht in der Beschichtung des Gehäuses mit einem sogenannten Einlaufbelag. Bei einem Materialabtrag an einem Einlaufbelag wird der Radialspalt nicht über den gesamten Umfang vergrößert, sondern in der Regel nur sichelförmig. Hierdurch wird ein Leistungsabfall des Triebwerks vermieden. Gehäuse mit einem Einlaufbelag sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aus dem Stand der Technik bekannte Einlaufbelage für Verdichter werden üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der über thermisches Spritzen auf ein statorseitiges Bauteil des Gehäuses aufgetragen wird. Im Betrieb einer Turbomaschine ist jedoch festzustellen, dass sich abhangig von der Betriebstemperatur das Einlaufverhalten solcher Einlaufbelage derart verändert, dass dieselben bei steigenden Betriebstemperaturen eine zunehmende Harte aufweisen, wodurch die Gefahr von Beschädigungen der in den Einlaufbelag anstreifenden Laufschaufeln besteht. Es besteht daher ein Bedarf an Einlaufbelagen, die über den gesamten Bereich der auftretenden Betriebstemperaturen eine angepasste Harte und damit gute Einlauffahigkeit aufweisen, sodass die Gefahr von Beschädigungen der Laufschaufeln beim Anstreifen in den Einlaufbelag reduziert wird.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags im Sinne von Anspruch 1 gelost. Erfmdungsgemaß wird der bereitgestellte Einlaufbelag zur Verbessung der Einlauffahigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen. Der erfindungemaß hergestellte Einlaufbelag findet bevorzugt in Verdichtern oder in Niederdruckturbinen Verwendung.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, einen z.B. bei einer Neufertigung bzw. Reparatur bereitgestellten Einlaufbelag zur Verbesserung der Einlauffahigkeit desselben einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Durch die Wärmebehandlung wird bei metallischen Einlaufbelagen die Aushärtung und die Oxidation der metallischen Matrix vorgepragt, wodurch letztendlich die gewünschte Harte des Einlaufbelags eingestellt und die Emlauffahigkeit des Einlaufbelags verbessert und stabilisiert wird. Durch die Wärmebehandlung des bereitgestellten Einlaufbelags wird derselbe sozusagen einem kunstlichen Alterungsprozess unterzogen, sodass derselbe im spateren Betrieb ein stabiles Einlaufverhalten aufweist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Wärmebehandlung bei einer Prozesstemperatur durchgeführt, die oberhalb der Temperatur liegt, welcher der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine maximal ausgesetzt wird. Die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung liegt dabei um 500C bis 2000C oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags. Die Prozesszeitdauer der Wärmebehandlung liegt zwischen 1 Stunde und 200 Stunden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der bereitgestellte Einlaufbelag vor der Wärmebehandlung in einer chemischen Lösung bzw. einem chemischen Bad gespült. Hierdurch kann die Prozesszeitdauer der nachfolgenden Wärmebehandlung verkürzt werden.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere auf einem Gehäuseabschnitt eines Gasturbinenflugtrάebwerks . Erfindungsgemäß wird nach Bereitstellen eines Einlaufbelags bei der Neuteilfertigung oder Reparatur der bereitgestellte Einlaufbelag zur Optimierung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung wird dabei bei einer Prozesstemperatur durchgeführt, die oberhalb der Temperatur liegt, welcher der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine maximal ausgesetzt wird. Hierdurch kann bei Einlaufbe- lägen aus einem metallischen Werkstoff, also bei metallischen Einlaufbelägen, die Aushärtung sowie die Oxidation der metallischen Matrix vorgeprägt werden, sodass der Einlaufbelag über eine verbesserte sowie stabilisierte Einlauffähigkeit verfügt. Die Härte der metallischen Einlaufbeläge wird durch die Wärmebehandlung, die bei einer Prozesstemperatur o- berhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags durchgeführt wird, derart optimiert, dass der Einlaufbelag auch bei hohen Betriebstemperaturen einlauffähig ist und diese Eigenschaft über die Betriebszeit der Turbomaschine beibehält.
Die sich bei der Wärmebehandlung einstellende Härte des Einlaufbelags wird durch eine Überlagerung zweier Effekte bestimmt, nämlich durch die Aushärtung sowie die Oxidation des Einlaufbelags, wobei mit zunehmender Zeitdauer der Wärmebehandlung die Aushärtung die Härte des Einlaufbelags erhöht, die Oxidation hingegen die Härte des Einlaufbelags verringert. Durch gezielte Auswahl der Zeitdauer der Wärmebehandlung kann die Härte des Einlaufbelags exakt eingestellt werden.
Als metallischer Einlaufbelag wird vorzugsweise ein poröser Einlaufbelag aus einem NiCrAl-Werkstoff oder aus einem CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff durch thermischen Spritzen bereitgestellt, welcher anschließend der Wärmebehandlung unterzogen wird.
Die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung liegt um 5O0C bis 2000C, vorzugsweise um 100°C bis 15O0C, oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags . Wird der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine z.B. Betriebstemperaturen zwischen 4500C und 6500C ausgesetzt, so erfolgt die Wärmebehandlung desselben vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur zwischen 6000C und 8000C. Bei einer maximalen Betriebstemperaturen von 65O0C erfolgt die Wärmebehandlung bevorzugt bei 75O0C.
Die Wärmebehandlung des bereitgestellten Einlaufbelags wird dabei wahrend einer ProzessZeitdauer zwischen 1 Stunde und 200 Stunden, vorzugsweise wahrend einer ProzessZeitdauer zwischen 2 Stunden und 20 Stunden, durchgeführt. Je hoher die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung ist, desto kurzer ist die Prozesszeitdauer derselben.
Bei mehrstufigen Verdichtern, bei welchen die einzelnen Stufen desselben unterschiedlichen maximalen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, ist die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung des Einlaufbelag der jeweiligen Stufe an die entsprechende maximale Betriebstemperatur angepasst.
Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren wird demnach ein z.B. bei der Neuteilfertigung oder bei der Reparatur bereitgestellter Einlaufbelag im An- schluss an das Bereitstellen desselben einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung erfolgt dabei bei einer Prozesstemperatur, die oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags liegt, und wird für eine an die jeweilige Temperatur angepasste Zeitdauer durchgeführt. Hierdurch wird der bereitgestellte Einlaufbelag einer künstlichen Alterung unterzogen, wodurch letztendlich dessen Emlauffahigkeit optimiert und stabilisiert werden kann.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein bereitgestellter, poröser Einlaufbelag vor der Wärmebehandlung m einer chemischen Losung gespult. Im Anschluss an das Spulen erfolgt eine Trocknung und anschließend die Wärmebehandlung, wobei bedingt durch Kapillareffekte die Losung nach der Trocknung in Poren des Einlaufbelags verbleibt. Durch das Spulen kann die ProzessZeitdauer der nachfolgenden Wärmebehandlung verkürzt werden, da die Losung insbesondere die Oxidation der metallischen Matrix unterstutzt.
Das Spulen kann z.B. m einer Losung aus demineralisiertem Wasser und Natriumhydroxid oder Natronlauge erfolgen. Alternativ kann das Spulen in Diethylenglykolmonobutylether oder in einer Losung aus Natriumhydroxid und Monophenylglykol und Natriumcumolsufonat erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags, wobei auf einem sta- torseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, ein metallischer Einlaufbelag bereitgestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der bereitgestellte Einlaufbelag zur Verbessung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmebehandlung bei einer Prozesstemperatur durchgeführt wird, die oberhalb der Temperatur liegt, welcher der Einlaufbelag im Betrieb der Turbαrαaschine maximal ausgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung um 50 0C bis 200 0C oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags liegt .
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung um 1000C bis 150°C oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung zwischen 600 0C und 800 0C liegt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmebehandlung während einer Prozesszeitdauer zwischen 1 Stunde und 200 Stunden durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozesszeitdauer der Wärmebehandlung zwischen 2 Stunden und 20 Stunden liegt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die ProzessZeitdauer der Wärmebehandlung an die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung derart angepasst ist, dass die Prozesszeitdauer um so kurzer ist je hoher die Prozesstemperatur ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass als metallischer Einlaufbelag ein poröser Einlaufbelag durch insbesondere thermisches Spritzen bereitgestellt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der bereitgestellte Einlaufbelag vor der Wärmebehandlung in einer chemischen Losung gespult wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Anschluss an das Spulen eine Trocknung und anschließend die Wärmebehandlung erfolgt .
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der bereitgestellte Einlaufbelag an einer Losung aus demmera- lisiertem Wasser und Natriumhydroxid oder Natronlauge gespult wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der bereitgestellte Einlaufbelag in Diethylenglykolmonobutyl- ether gespult wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der bereitgestellte Einlaufbelag an einer Losung aus Natriumhydroxid und Monophenylglykol und Natπumcumolsufonat gespult wird.
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