EP2063072A2 - Dichtsystem einer Turbomaschine und Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf ein Bauteil dieser Turbomaschine - Google Patents

Dichtsystem einer Turbomaschine und Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf ein Bauteil dieser Turbomaschine Download PDF

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EP2063072A2
EP2063072A2 EP08169608A EP08169608A EP2063072A2 EP 2063072 A2 EP2063072 A2 EP 2063072A2 EP 08169608 A EP08169608 A EP 08169608A EP 08169608 A EP08169608 A EP 08169608A EP 2063072 A2 EP2063072 A2 EP 2063072A2
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EP
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armor
sealing system
based alloy
component
particles
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Withdrawn
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EP08169608A
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Andreas Jakimov
Stefan Schneiderbanger
Ralf Stolle
Wolfgang Wachter
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a sealing system of a turbomachine, in particular a gas turbine, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for applying armor to a component of a turbomachine according to the preamble of claim 11.
  • Turbomachines such as gas turbines, typically include a plurality of rotating blades and a plurality of stationary vanes, the blades rotating together with a rotor, and the blades and vanes being enclosed by a stationary housing.
  • a stationary housing typically includes a plurality of rotating blades and a plurality of stationary vanes, the blades rotating together with a rotor, and the blades and vanes being enclosed by a stationary housing.
  • sealing systems include the so-called sealing systems.
  • the US 6,194,086 B1 discloses a blade of a gas turbine having a blade tip armor, the blade tip armor comprising a cover layer formed of abrasive particles incorporated in a metallic matrix material.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel sealing system of a turbomachine, in particular a gas turbine, as well as a novel method for applying armor to a component of a turbomachine.
  • the rotating component is made of a relatively soft material, namely a titanium-based alloy or an aluminum-based alloy or a magnesium-based alloy; b) the armor associated with the rotating component made of a relatively hard material, namely a nickel-based alloy or iron-based alloy; and c) the inlet facing associated with the fixed component is made of an erosion-resistant material having a lower hardness than the relatively hard material of the armor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sealing system according to the invention of a turbomachine in the region of a rotor-side rotor blade 10, which is associated with armor 11 at a tip, and a stator-side housing 12, which is associated with an inlet lining 13, wherein the inlet lining 13 of the armor 11 adjacent is.
  • the sealing system of FIG. 1 is used to seal a gap 14 between the blade 10 and the housing 12.
  • the blade 10 runs this with their armor 11 in the housing 12 associated inlet lining 13 a.
  • the rotor-side moving blade 10 is made of a relatively soft material, namely a titanium-based alloy or an aluminum-based alloy or a magnesium-based alloy.
  • the blade 10 associated armor 11 is made of a relatively hard material, namely a nickel-based alloy or an iron-based alloy.
  • the housing 12 associated with inlet lining 13 is made of an erosion-resistant material having a lower hardness than the relatively hard material of the armor 11.
  • the material of the inlet lining 13 preferably has a hardness of between 35 and 70 HR15Y, which refers to a measurement of the Rockwell hardness.
  • hard particles or abrasive particles may be incorporated, wherein as hard particles preferably particles of oxides or carbides or nitrides are embedded in the nickel-based alloy or iron-based alloy of the armor 11.
  • particles of cubic boron nitride are embedded in the nickel-based alloy or iron-based alloy of the armor 11 as hard-material particles.
  • the erosion-resistant material of the inlet lining 13 is preferably porous.
  • the material of the inlet lining 13 preferably consists of a metallic matrix, preferably of a NiCrAl alloy with an additive and / or solid lubricant embedded in it. wherein it is the additive to particles of particular bentonite, that is a ceramic material of an aluminum silicate.
  • the solid lubricant is advantageously hexagonal boron nitride or graphite.
  • the armor 11 is applied to the rotor-side blade 10 via cold-kinetic compacting or kinetic cold gas spraying on the rotor-side blade 10.
  • the application of the armor 11 on the rotating component, namely, as shown in FIG. 1, the rotor-side blade 10, via cold-kinetic compaction or kinetic cold gas spraying is preferably carried out at a gas temperature between 300 and 950 ° C and at a pressure between 30 and 40 bar , As the process gas in particular nitrogen is used.
  • the heating of the particles takes place by preheating the gas before receiving the particles and by a heat exchanger just before exiting the spray gun.
  • the cold-kinetic compaction or kinetic cold gas spraying is carried out at a speed between 500 and 1500 m / sec, which is the speed with the aid of these contained in a carrier gas particles of the material of the armor for making the armor 11 are directed to the blade 10.
  • Nitrogen is preferably used as carrier gas for cold-kinetic compaction or kinetic cold gas spraying.
  • particles of the material of the armor 11 are applied to the rotor-side blade via the carrier gas, wherein the particles contained in the carrier gas have a particle size between 5 and 80 microns.
  • the maximum of a Gaussian distribution for the particle size of the particles contained in the carrier gas is preferably about 30 ⁇ m.
  • the over cold-kinetic compaction or kinetic cold gas spraying applied to the blade 10 armor 11 preferably has a thickness between 0.05 and 1.5 mm. Furthermore, the armor 11 preferably has an extremely low porosity with a density between in particular 98 and 100%.
  • the sealing system according to the invention has been described with reference to FIG. 1 using the example of a rotor blade 10 and a housing 12 for sealing a gap between the rotor blade 10 and the housing 12, the sealing system according to the invention is not limited to this application, but can be combined with the sealing system according to the invention also other gaps between rotating and stationary components are sealed.
  • the armor 11 may also be applied to a rotor-side Dichtfin, which enters an inlet lining in the region stator-side vanes.
  • the production of armor by cold-kinetic compaction or kinetic cold gas spraying has the advantage that on the one hand the armor can be produced with high precision by means of a thin spray jet and furthermore relatively inexpensively.
  • the sealing system according to the invention it is possible to use in compressors blades made of a relatively soft material, namely a titanium-based alloy or aluminum-based alloy or magnesium-based alloy, wherein the applied over kinetic cold gas spraying or cold-kinetic compaction armor consists of a nickel-based alloy or iron-based alloy, and accordingly is relatively hard.
  • the armored blades thus enter into the inlet lining, which is formed of an erosion-resistant material having a greater hardness than the relatively soft material of the blades and having a lower hardness than the relatively hard material of the armor of the blades.
  • the sealing system according to the invention is characterized by a permanently lower wear.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dichtsystem für Verdichtermodule einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, nämlich zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem rotierenden Bauteil (10), insbesondere einer rotorseitigen Laufschaufel, und einem feststehenden Bauteil (12), insbesondere einem statorscitigcn Gehäuse, wobei dem feststehenden Bauteil (12) ein Einlaufbelag (13) und dem rotierenden Bauteil (10) eine in den Einlaufbelag (12) einlaufende Panzerung (11) zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist a) das rotierende Bauteil (10) aus einem relativ weichen Werkstoff, nämlich aus einer Titanbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung oder einer Magnesiumbasislegierung, hergestellt; b) die dem rotierenden Bauteil (10) zugeordnete Panzerung (11) aus einem relativ harten Werkstoff, nämlich aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung, hergestellt; und c) der dem feststehenden Bauteil (12) zugeordnete Einlaufbelag (13) aus einem erosionsbeständigen Werkstoff hergestellt, der eine geringere Härte als der relativ harte Werkstoff der Panzerung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Dichtsystem einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer Panzerung auf ein Bauteil einer Turbomaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • 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 bezogen auf den Verdichterbereich nämlich die größten absoluten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln in der Regel auf Deckbänder, wie sie bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet werden muss.
  • Wie bereits erwähnt, muss in der Regel bei Laufschaufeln im Verdichter auf ein Deckband verzichtet werden. Daher sind Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit einem dem Gehäuse zugeordneten Einlaufbelag ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in den Einlaufbelag 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 einer Schaufelspitzenpanzerung zu versehen.
  • Die US 6,194,086 B1 offenbart eine Laufschaufel einer Gasturbine mit einer Schaufelspitzenpanzerung, wobei die Schaufelspitzenpanzerung eine Deckschicht umfasst, die aus in ein metallisches Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln gebildet ist.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Dichtsystem einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, sowie ein neuartiges Verfahren zum Aufbringen einer Panzerung auf ein Bauteil einer Turbomaschine zu schaffen.
  • Dieses Problem wird durch ein Dichtsystem im Sinne von Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist a) das rotierende Bauteil aus einem relativ weichen Werkstoff, nämlich aus einer Titanbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung oder einer Magnesiumbasislegierung, hergestellt; b) die dem rotierenden Bauteil zugeordnete Panzerung aus einem relativ harten Werkstoff, nämlich aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung, hergestellt; und c) der dem feststehenden Bauteil zugeordnete Einlaufbelag aus einem erosionsbeständigen Werkstoff hergestellt, der eine geringere Härte als der relativ harte Werkstoff der Panzerung aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen einer Panzerung auf ein Bauteil einer Turbomaschine ist in Anspruch 11 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1:
    einen schematisierten Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Dichtsystem.
  • Fig. 1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Dichtsystems einer Turbomaschine im Bereich einer rotorseitigen Laufschaufel 10, der an einer Spitze eine Panzerung 11 zugeordnet ist, und eines statorseitigen Gehäuses 12, dem ein Einlaufbelag 13 zugeordnet ist, wobei der Einlaufbelag 13 der Panzerung 11 benachbart ist.
  • Das Dichtsystem der Fig. 1 dient der Abdichtung eines Spalts 14 zwischen der Laufschaufel 10 und dem Gehäuse 12. Die Laufschaufel 10 läuft hierzu mit ihrer Panzerung 11 in den dem Gehäuse 12 zugeordneten Einlaufbelag 13 ein.
  • Beim erfindungsgemäßen Dichtsystem ist die rotorseitige Laufschaufel 10 aus einem relativ weichen Werkstoff hergestellt, nämlich aus einer Titanbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung oder einer Magnesiumbasislegierung. Die der Laufschaufel 10 zugeordnete Panzerung 11 ist aus einem relativ harten Werkstoff hergestellt, nämlich aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung. Der dem Gehäuse 12 zugeordnete Einlaufbelag 13 ist aus einem erosionsbeständigen Werkstoff hergestellt, der eine geringere Härte als der relativ harte Werkstoff der Panzerung 11 aufweist.
  • Der Werkstoff des Einlaufbelags 13 weist vorzugsweise eine Härte zwischen 35 und 70 HR15Y auf, wobei sich die Angabe auf eine Messung der Rockwell-Härte bezieht. Der Werkstoff der Panzerung 11 hingegen weist eine Härte von weit mehr als 70 HR15Y auf.
  • In der Nickelbasislegierung oder der Eisenbasislegierung der Panzerung 11 können Hartstoffpartikel bzw. abrasive Partikel eingelagert sein, wobei als Hartstoffpartikel vorzugsweise Partikel aus Oxyden oder Carbiden oder Nitriden in die Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung der Panzerung 11 eingelagert sind. Vorzugsweise sind als Hartstoffpartikel Partikel aus kubischem Bornitrid in die Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung der Panzerung 11 eingelagert.
  • Der erosionsbeständige Werkstoff des Einlaufbelags 13 ist vorzugsweise porös. Der Werkstoff des Einlaufbelags 13 besteht vorzugsweise aus einer metallischen Matrix, bevorzugt aus einer NiCrAl-Legierung mit einem in dieselbe eingelagerten Zusatzstoff und/oder Festschmierstoff, wobei es sich bei dem Zusatzstoff um Partikel aus insbesondere Bentonit, also einen keramischen Material aus einem Aluminiumsilikat handelt. Der Festschmierstoff ist vorteilhafterweise hexagonales Bornitrid oder auch Graphit.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung ist die Panzerung 11 auf die rotorseitige Laufschaufel 10 über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. über kinetisches Kaltgasspritzen auf die rotorseitige Laufschaufel 10 aufgebracht.
  • Das Aufbringen der Panzerung 11 auf das rotierende Bauteil, nämlich gemäß Fig. 1 die rotorseitige Laufschaufel 10, über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. kinetische Kaltgasspritzen erfolgt vorzugsweise bei einer Gastemperatur zwischen 300 und 950°C und bei einem Druck zwischen 30 und 40 bar. Als Prozessgas kommt insbesondere Stickstoff zum Einsatz. Die Erwärmung der Partikel erfolgt durch Vorwärmen des Gases vor Aufnahme der Partikel und durch einen Wärmetauscher kurz vor Austritt aus der Sprühpistole.
  • Das Kalt-Kinetische-Kompaktieren bzw. kinetische Kaltgasspritzen erfolgt bei einer Geschwindigkeit zwischen 500 und 1500 m/sec, wobei es sich bei dieser Geschwindigkeit um die Geschwindigkeit handelt, mit Hilfe derer in einem Trägergas enthaltene Partikel aus dem Werkstoff der Panzerung zum Herstellen der Panzerung 11 auf die Laufschaufel 10 gerichtet werden. Als Trägergas für das Kalt-Kinetische-Kompaktieren bzw. das kinetische Kaltgasspritzen findet vorzugsweise Stickstoff Verwendung.
  • Hierbei werden über das Trägergas Partikel aus dem Werkstoff der Panzerung 11 auf die rotorseitige Laufschaufel aufgebracht, wobei die im Trägergas enthaltenen Partikel eine Partikelgröße zwischen 5 und 80 µm aufweisen. Das Maximum einer gaußschen Verteilung für die Partikelgröße der im Trägergas enthaltenen Partikel liegt dabei vorzugsweise bei in etwa 30 µm.
  • Die über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. kinetische Kaltgasspritzen auf die Laufschaufel 10 aufgebrachte Panzerung 11 verfügt vorzugsweise über eine Dicke zwischen 0,05 und 1,5 mm. Ferner verfügt die Panzerung 11 bevorzugt über eine äußerst geringe Porösität mit einer Dichte zwischen insbesondere 98 und 100%.
  • Obwohl unter Bezugnahme auf Fig. 1 das erfindungsgemäße Dichtsystem am Beispiel einer Laufschaufel 10 und einem Gehäuse 12 zur Abdichtung eines Spalts zwischen der Laufschaufel 10 und dem Gehäuse 12 beschrieben wurde, ist das erfindungsgemäße Dichtsystem nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, vielmehr können mit dem erfindungsgemäßen Dichtsystem auch andere Spalte zwischen rotierenden und feststehenden Bauteilen abgedichtet werden. So kann die Panzerung 11 auch auf einen rotorseitigen Dichtfin aufgebracht sein, der in einen Einlaufbelag im Bereich statorseitiger Leitschaufeln einläuft.
  • Die Herstellung von Panzerungen über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. kinetisches Kaltgasspritzen verfügt über den Vorteil, dass einerseits die Panzerung hochgenau mit Hilfe eines dünnen Spritzstrahls und des Weiteren relativ kostengünstig hergestellt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Dichtsystem ist es möglich, in Verdichtern Laufschaufeln aus einem relativ weichen Werkstoff, nämlich aus einer Titanbasislegierung oder Aluminiumbasislegierung oder Magnesiumbasislegierung zu verwenden, wobei die über kinetisches Kaltgasspritzen bzw. Kalt-Kinetisches-Kompaktieren aufgebrachte Panzerung aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung besteht und demnach relativ hart ist.
  • Die so gepanzerten Laufschaufeln laufen in den Einlaufbelag ein, der aus einem erosionsbeständigen Werkstoff gebildet ist, der eine größere Härte aufweist als der relativ weiche Werkstoff der Laufschaufeln und der eine geringere Härte aufweist als der relativ harte Werkstoff der Panzerung der Laufschaufeln.
  • Derartige Panzerungen verfügen über eine gute Haftung und Duktilität, weshalb die Gefahr einer Rissbildung in der Panzerung und die Gefahr einer Rissfortsetzung in den Grundwerkstoff mit der hier vorliegenden Erfindung deutlich verringert werden kann. Das erfindungsgemäße Dichtsystem ist durch einen dauerhaft geringeren Verschleiß gekennzeichnet.

Claims (12)

  1. Dichtsystem einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, nämlich zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem rotierenden Bauteil, insbesondere einer rotorseitigen Laufschaufel, und einem feststehenden Bauteil, insbesondere einem statorseitigen Gehäuse, wobei dem feststehenden Bauteil ein Einlaufbelag und dem rotierenden Bauteil eine in den Einlaufbelag einlaufende Panzerung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) das rotierende Bauteil (10) aus einem relativ weichen Werkstoff, nämlich aus einer Titanbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung oder einer Magnesiumbasislegierung, hergestellt ist,
    b) die dem rotierenden Bauteil (10) zugeordnete Panzerung (11) aus einem relativ harten Werkstoff, nämlich aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung, hergestellt ist,
    c) der dem feststehenden Bauteil (12) zugeordnete Einlaufbelag (13) aus einem erosionsbeständigen Werkstoff hergestellt ist, der eine geringere Härte als der relativ harte Werkstoff der Panzerung aufweist.
  2. Dichtsystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff des Einlaufbelags (13) eine Härte zwischen 10 und 70 HR15Y aufweist, und dass der Werkstoff der Panzerung (11) eine Härte von mehr als 70 HR15Y aufweist.
  3. Dichtsystem nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in die Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung der Panzerung (11) Hartstoffpartikel bzw. abrasive Partikel eingelagert sind.
  4. Dichtsystem nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Hartstoffpartikel Partikel aus Oxiden oder Carbiden oder Nitriden in die Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung eingelagert sind.
  5. Dichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff des Einlaufbelags (13) porös ist.
  6. Dichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff des Einlaufbelags (13) aus einer metallischen Matrix mit einem in dieselbe eingelagerten Zusatzstoff und/oder Festschmierstoff besteht.
  7. Dichtsystem nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als ZusatzstoffPartikel aus Bentonit oder HBN (hexagonales Bornitnitrid) oder Graphit in die metallische Matrix eingelagert sind.
  8. Dichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Panzerung (11) über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. kinetisches Kaltgasspritzen auf das rotorseitige Bauteil aufgebracht ist.
  9. Dichtsystem nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Panzerung (11) über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. kinetisches Kaltgasspritzen bei einer Gastemperatur zwischen 300 und 950 °C, bei einem Druck zwischen 30 und 40 bar und bei einer Geschwindigkeit zwischen 500 und 1500 m/sec aufgebracht ist.
  10. Dichtsystem nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    hierbei über ein Trägergas Partikel aus dem Werkstoff der Panzerung mit einer Partikelgröße zwischen 5 und 80 µm auf das rotierende Bauteil aufgebracht sind.
  11. Verfahren zum Aufbringen einer Panzerung auf ein Bauteil einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Panzerung (11) über Kalt-Kinetisches-Kompaktieren bzw. kinetisches Kaltgasspritzen auf das rotorseitige Bauteil aufgebracht ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    gekennzeichnet durch
    Merkmale nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
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