EP2215405A1 - Maschinenkomponente und gasturbine - Google Patents

Maschinenkomponente und gasturbine

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EP2215405A1
EP2215405A1 EP08857245A EP08857245A EP2215405A1 EP 2215405 A1 EP2215405 A1 EP 2215405A1 EP 08857245 A EP08857245 A EP 08857245A EP 08857245 A EP08857245 A EP 08857245A EP 2215405 A1 EP2215405 A1 EP 2215405A1
Authority
EP
European Patent Office
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armor
base body
machine component
elements
turbine
Prior art date
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EP08857245A
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English (en)
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Inventor
Elke Henschel
Joachim Skoczowsky
Martin Stapper
Birgit Grüger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2215405A1 publication Critical patent/EP2215405A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2215405B1 publication Critical patent/EP2215405B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
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    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F23M2900/05003—Details of manufacturing specially adapted for combustion chambers
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03342—Arrangement of silo-type combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a machine component with a base body made of a base material, which is provided in a portion of its surface with an armor made of a coating material with a greater hardness and / or toughness compared to the base material. It also relates to a gas turbine with a number of machine components of this type.
  • Turbines in particular gas turbines, are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
  • the working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.
  • a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or blade rows, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium.
  • To guide the Häme- dium in the turbine unit also commonly associated guide blade rows are arranged between adjacent blade rows with the turbine housing.
  • a turbine of this type comprises a plurality of components or machine components which are positioned in the turbine in accordance with predetermined dimensions, shapes and / or tolerances. In many cases, it may be desirable to avoid contact between adjacent machine components or components. To minimize parts with each other, so as to keep wear of the affected components particularly low. Nevertheless, during operation of the turbine, for example as a result of thermal expansion or also as a result of operating vibrations or the like, there may always be undesirable contact between such components, so that some wear of such components occurs. For example, as such machine components in the region of the combustion chamber of the gas turbine, usually a so-called flame tube, a mixing housing and an inner housing are arranged adjacent to one another.
  • the machine components can be manufactured in what is referred to as an armored version, the areas particularly affected by the expected wear or expected contacts with neighboring components being coated with a protective coating, also referred to as armor ,
  • An armor of this type can be formed from a coating material which has a greater mechanical hardness and / or toughness compared to the base material of the respective component, so that a wear occurring as a result of contact can already be reduced by such a suitable choice of material.
  • suitable different chemical compositions of the base and / or the order material a higher corrosion resistance of the components of the machine components can be achieved.
  • thermal expansion of the base body in the area provided with the application material may lead to cracking and other damage due to the different thermal expansion behavior.
  • thermally comparatively highly loaded regions such as in the interior of the combustion chamber of a gas turbine, such armored machine components are therefore only partially suitable.
  • the machine component should be provided with suitable armor for basic use in compliance with wear-resistant working conditions, and in order to avoid the possible disadvantages associated with armor, it is expedient to keep the lateral extent of the armor particularly low.
  • individual zones of the armor are executed decoupled from each other, so as to allow sufficient flexibility against thermal deformation and the like. This is achieved by performing the armor segment by segment and formed by a number of armor segments.
  • the armor segments may be applied by suitable techniques on the body of the machine component.
  • the armor segments are applied by build-up welding on the base body, so that a particularly intimate connection to the body and thus a high stability of the machine component is achieved overall.
  • the welding process often has to be started and terminated, which can result in distortion of the body due to the high working temperatures during build-up welding.
  • a cooling air is passed around the exterior of the body. The arrangement of the segments, the cooling air is injected in the channels provided in the hot gas path, whereby hot and cold spots are generated according to the segmentation at the crossing points formed by the approaches of the segmentation.
  • the segmentation of the armor elements may under certain circumstances result in a reduction in the transverse stability and torsional stiffness of the rings forming the main body.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a machine component of the abovementioned type whose armor application achieves the greatest possible stability with simultaneous further processing capability and causes a low load on the machine component by the application method.
  • the occurrence of hot and cold spots should be largely avoided.
  • a gas turbine with a number of such machine components is to be specified.
  • the armor is formed by a number of armor elements which are tilted in their longitudinal direction to the main flow direction of a hot gas flowing through the main body on the base body.
  • the invention is based on the consideration that a load can be avoided by frequent start and stop operations during build-up welding when the welding process is carried out consistently. Furthermore, a particularly high transverse stability can be achieved by a suitable arrangement of the armor elements as well as a negative effect of the cooling air on the thermal behavior of the body can be largely avoided by a suitable guidance of the cooling air.
  • the tilt angle is designed so that the armor elements an arrangement of the kind that the formed by the obliquely executed armor geometry cooling air passage rotates the body in at least simple design and the cooling air thereby experiences a twist to the flow direction of the hot gas, thereby a largely uniform distribution of the cooling air can be achieved.
  • the armor elements mounted on the base body with a tilt angle of more than zero and less than 90 ° between the main flow direction of the hot gas flowing through the base body and the longitudinal direction of the armor elements advantageously not continuous, but arranged in segments, ie with a number of interruptions of the welding job on the base body.
  • an application of the armoring segments by laser powder coating welding is advantageously provided, but also an order other welding processes or by order spray conceivable.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the arrangement of the armor segments a particularly high transverse stability and torsional stiffness of the main body forming rings and a particularly advantageous leadership of the cooling air is achieved with simultaneous flexibility of the body for further processing.
  • FIG. 6 shows a main body of a machine component with armor elements in graphical representation
  • FIG. 7 shows an arrangement of armor segments in a schematic representation.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator or a working machine (not shown).
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4 is provided with a number of burners 10 for
  • the turbine 6 has a number of rotatable blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • the blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which are also annular in shape to form
  • Guide vanes are attached to an inner housing 16 of the turbine 6.
  • the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by momentum transfer from a turbine 6 flowing through the working medium M.
  • the vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
  • a successive pair of a ring of vanes 14 or a row of vanes and a ring of vanes 12 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
  • Each vane 14 has a platform 18, which is arranged for fixing the respective guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component, the outer boundary of a hot gas channel for the the turbine 6 flowing through the working medium M forms.
  • Each blade 12 is attached to the turbine shaft 8 in an analogous manner via a platform 20, also referred to as a blade root.
  • each guide ring 21 on the inner housing 16 of the turbine 6 is arranged between the spaced-apart platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes.
  • the inner surface of each guide ring 21 is likewise exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blades 12 of a row of blades opposite it through a gap 24.
  • This principle is applicable to all gas turbines 1, that is to say, for example, with can, can-annular, annular combustion chambers or silo combustion chambers.
  • gas turbine primarily means a gas turbine with silo combustion chambers. Nevertheless, this invention is applicable to all gas turbines.
  • each of the combustion chambers 4 is in its inflow region, at which a number of unspecified ones are specified
  • Supply lines for media such as fuel and combustion air are connected, equipped with a so-called flame tube 30, within which the combustion of the fuel takes place.
  • a flame tube 30 is the output side connected to an inner housing 36 of the combustion chamber 4.
  • the flame tube 30, the transition piece 34 and the inner housing 36 are connected to each other in the manner of nested tubes, so that a reliable media flow guide from the flame tube 30 into the inner housing 36 of the combustion chamber 4 ge is guaranteed.
  • the tube ends inserted one inside the other are positioned as non-contacting as possible with respect to one another in compliance with the given dimensions and tolerances, so that wear due to components in contact with one another and components rubbing against each other is avoided as far as possible.
  • a recurrent contact of these components with each other can not be avoided, so that residual wear is to be expected in every case. In order to take account of this wear, regular maintenance checks and, if necessary, replacement of these components are required during maintenance and inspection work.
  • each of the engine components flame tube 30, transition piece 34 and inner housing 36 is constructed from a basic body 40 made of base material, which is provided in an illustrated in each of FIGS 3 to 5 portion of its surface with an armor 42 of a coating material.
  • the application material is chosen such that it has a greater hardness and / or toughness compared to the base material, so that an increased resistance to mechanical and thermal stress is given.
  • the application material is applied to the base body 40 in each case by build-up welding.
  • the armor 42 of the respective machine component is segmented.
  • the armor 42 comprises a plurality of armor segments 44, wherein the dimensioning of the armor segments 44 with respect to the dimensioning of the actual machine component and the materials used is selected such that an excessive impairment of the base body 40 by different thermal expansion behavior and the like avoided is.
  • the armor segments 44 are each introduced into assigned recesses in the main body 40.
  • the recesses may have been introduced by suitable machining methods, such as by milling, turning or grinding.
  • the dimensioning can in principle be made such that the armor segments 44 are applied to a flat surface of the base body 40 and correspondingly their thickness corresponding recesses arise between them.
  • the preparation can also, as shown in Figures 3 to 5, carried out such that the outer surface of the armor segments 44 with the outer surface of extending between the outer armor segments 44 webs 46 of the body 40 a Form continuous and thus flat surface.
  • the armor segments 44 can also be applied to a flat, non-recessed surface.
  • the finished machine component is a component which largely corresponds in terms of its shape, dimensioning and dimensional stability to an originally provided component and in particular has a correspondingly smooth and planar surface.
  • FIG. 4 shows that a bent cooling air ring 50 can also be embodied as an at least partially armored machine component of the type mentioned.
  • the cooling air ring 50 is also provided on its surface with armor segments 44, which are incorporated into corresponding recesses of the cooling air ring 50 forming base body 40.
  • cooling air channels 52 are additionally provided, which are formed by corresponding holes.
  • the depressions which are also referred to as pockets, in which the armor segments 44 are arranged
  • said depressions need not be formed as pockets, but also a circumferential groove (not shown here) is conceivable, the desired geometry of the cooling air ring 50 can be maintained. be. Nevertheless, even when using the armor segments 44, a virtually smooth and thus streamlined surface and a smooth transition to the base body 40 is created. This ensures increased wear reduction and improved bonding between the materials used.
  • the transition piece 34 and the flame tube 30 of the gas turbine 1 are designed in their overlapping area as such armored machine components.
  • Armor 42 of these machine components are provided in each case on the facing surface segments.
  • a suitable choice of material for the armor 42 targeted focusing of wear on one of the two machine components, in particular on the easily replaceable machine component allows.
  • it is purposefully provided to select the application material for the armor 42 of the flame tube 30 of lesser hardness and / or toughness than the material for the armor 42 of the transition piece 34.
  • the order material for the armor 42 of the transition piece 34 with a lower hardness and / or toughness than for the armor 42 of the flame tube 30 may be useful.
  • FIG. 6 shows the base body 40 with the cooling air channels 52 and the applied armor elements 54, wherein in this embodiment the angle between the main flow direction 56 of the hot gas flowing along the walls of the base body 40 and the longitudinal direction of the armor elements 54 is selected to be particularly small.
  • the armor elements 54 surround the
  • Base body 40 in such an embodiment in the form of a helix, wherein the tilt angle is to choose depending on the requirement in a range greater than 0 and less than 90 °.
  • the armor elements 54 which are advantageously applied to the base body 40 by laser powder deposition, can be applied in a continuous welding process without start / stop operation and the risks associated with the respective breaking off and new start of the welding process, in particular the susceptibility to errors in the welding process, are reduced become.
  • the thermal impairments and thus material loads of the base body 40 and the application material can be largely avoided by a continuous welding process.
  • a segmentation of the armor 42 also in this embodiment, by interrupting the welding processes of the build-up welding conceivable.
  • an increase in the flexibility of the machine component can be achieved.
  • FIG. 7 shows the armor elements 54 applied to the main body 40 in a larger angle between the main flow direction 56 of the gas and the longitudinal direction of the armor elements 54 than in the view in FIG. 6.
  • This is comparable in shape to the threads of a screw or a threaded rod.
  • the slope of the armoring elements 54 formed by a thread of the type mentioned comparable embodiment of the armor 42nd determined by the tilt angle.
  • the tilt angle is designed, which is provided at 45 ° in FIG. 7, the more revolutions of the pusher elements 54 around the main body 40 take place.
  • the armor elements 54 rotate around the main body 40 several times, resulting in a segmentation of the armor elements 54, that is to say a division of the armor into the armor segments 44, and the armor segments 44 are to be applied in a plurality of welding operations.
  • the individual armor segments 44 are used for transverse reinforcement of the base body 40, wherein a subsequent further processing of the provided with the application material base body 40, for example, bending or the like, due to the segmentation of the armor elements 54 is still possible.
  • channels are formed, wherein in the case of cooling air flowing into the channels, this undergoes a swirl to the flow direction 56 of the hot gas flowing through the base body 40 and thus the cooling air is more uniform than, for example, during segmentation the armor in rectangular shape on the circumference of the
  • Base body 40 is distributed. As a result, temperature and voltage differences according to the design of the channels and excessive, the machine components burdensome, hot and cold spots can be reduced.

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Abstract

Eine Maschinenkomponente mit einem aus einem Grundmaterial gefertigten Grundkörper (40), der in einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung (42) aus einem Auftragsmaterial mit einer im Vergleich zum Grundmaterial grösseren Härte und/oder Zähigkeit versehen ist, soll einen Panzerungsauftrag mit einer grösstmöglichste Stabilität bei gleichzeitiger Weiterverarbeitungsmöglichkeit sowie eine geringe Belastung der Maschinenkomponente durch das Auftragsverfahren ermöglichen. Zudem soll das Auftreten von Warm- und Kaltstellen weitestgehend vermeiden werden. Dazu ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Panzerung (42) von einer Anzahl von Panzerungselementen (54) gebildet ist, die in ihrer Längsrichtung verkippt zur Hauptströmrichtung (56) eines den Grundkörper (40) durchströmenden Heissgases auf dem Grundkörper (40) aufgebracht sind.

Description

Beschreibung
Maschinenkomponente und Gasturbine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschinenkomponente mit einem aus einem Grundmaterial gefertigten Grundkörper, der in einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung aus einem Auftragsmaterial mit einer im Vergleich zum Grundmaterial größeren Härte und/oder Zähigkeit versehen ist. Sie be- trifft weiterhin eine Gasturbine mit einer Anzahl von Maschinenkomponenten dieser Art.
Turbinen, insbesondere Gasturbinen, werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise zu Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsme- diums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.
Eine Turbine dieser Art umfasst eine Vielzahl von Bauteilen oder Maschinenkomponenten, die unter Einhaltung vorgegebener Maße, Formen und/oder Toleranzen geeignet in der Turbine positioniert sind. In vielen Fällen kann es dabei wünschenswert sein, den Kontakt benachbarter Maschinenkomponenten oder Bau- teile miteinander zu minimieren, um solchermaßen einen Verschleiß der betroffenen Bauteile besonders gering zu halten. Dennoch kann es beim Betrieb der Turbine, beispielsweise infolge thermischer Ausdehnungen oder auch infolge von be- triebsbedingt auftretenden Schwingungen oder dergleichen, immer wieder zu eigentlich unerwünschtem Kontakt zwischen derartigen Bauteilen kommen, so dass ein gewisser Verschleiß derartiger Bauteile auftritt. Beispielsweise sind als derartige Maschinenkomponenten im Bereich der Brennkammer der Gas- turbine üblicherweise ein so genanntes Flammrohr, ein Mischgehäuse und ein Innengehäuse benachbart zueinander angeordnet. Diese weisen bauartbedingt derart große Verformungen und kritische Toleranzen auf, dass im Betrieb der Gasturbine ein Kontakt dieser Bauteile stellenweise unvermeidlich ist. Durch diesen Kontakt entsteht ein unerwünschter und insbesondere bei langer Betriebsdauer möglicherweise auch kritischer Verschleiß, so dass die genannten Bauteile in regelmäßigen Abständen inspiziert und bei Bedarf ausgetauscht/repariert werden müssen.
Um in derartigen Situationen den Verschleiß der betroffenen Bauteile oder Maschinenkomponenten besonders gering zu halten, können die Maschinenkomponenten in so genannter gepanzerter Ausführung gefertigt sein, wobei die vom erwarteten Verschleiß oder den erwarteten Kontakten mit Nachbarkomponenten besonders betroffenen Bereiche mit einer auch als Panzerung bezeichneten Schutzbeschichtung überzogen sind. Eine derartige Panzerung kann dabei aus einem Auftragsmaterial gebildet sein, das eine im Vergleich zum Grundmaterial der je- weiligen Komponente größere mechanische Härte und/oder Zähigkeit aufweist, so dass bereits durch eine derartig geeignete Materialwahl ein kontaktbedingt auftretender Verschleiß verringert werden kann. Darüber hinaus kann durch geeignete unterschiedliche chemische Zusammensetzungen des Grund- und/o- der des Auftragswerkstoffs eine höhere Korrosionsbeständigkeit der Bestandteile der Maschinenkomponenten erzielt werden . Aufgrund der üblicherweise für derartige Einsatzzwecke größeren Härte und/oder Zähigkeit des Auftragsmaterials ist dieses aber auch spröder als das jeweilige Grundmaterial des Grundkörpers der Maschinenkomponente. Eine Weiterverarbeitung des mit dem Auftragsmaterial versehenen Grundkörpers, beispielsweise durch Biegen oder dergleichen, ist somit nur noch eingeschränkt möglich.
Des Weiteren kann es bei einer thermischen Ausdehnung des Grundkörpers in dem mit dem Auftragsmaterial versehenen Bereich aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens zu Rissbildungen und anderen Beschädigungen kommen. Gerade zum Einsatz in thermisch vergleichsweise hoch belasteten Regionen, wie beispielsweise im Innenbereich der Brennkammer einer Gasturbine, sind derartig gepanzerte Maschinenkomponenten daher nur bedingt geeignet.
Da aber die Maschinenkomponente für eine grundsätzliche Ein- setzbarkeit unter Einhaltung verschleißarmer Arbeitsbedingun- gen mit einer geeigneten Panzerung versehen sein sollte und um die mit einer Panzerung einhergehenden möglichen Nachteile zu vermeiden, ist es sinnvoll, die laterale Ausdehnung der Panzerung besonders gering zu halten. Um dabei dennoch einen ausreichend großen Teilbereich der Oberfläche abdecken zu können, werden einzelne Zonen der Panzerung voneinander entkoppelt ausgeführt, um somit ausreichende Nachgiebigkeit gegenüber thermischer Verformung und dergleichen zu ermöglichen. Dies wird erreicht, indem die Panzerung segmentweise ausgeführt und von einer Anzahl von Panzerungssegmenten ge- bildet ist.
Die Panzerungssegmente können durch geeignete Techniken auf dem Grundkörper der Maschinenkomponente aufgebracht sein. Vorteilhafterweise sind die Panzerungssegmente jedoch durch Auftragsschweißen auf den Grundkörper aufgebracht, so dass eine besonders innige Verbindung zum Grundkörper und somit eine hohe Stabilität der Maschinenkomponente insgesamt erreicht ist. Allerdings muss zur segmentierten Ausführung der Panzerung der Schweißvorgang häufig gestartet und beendet werden, was einen Verzug des Grundkörpers infolge der hohen Arbeitstempe- raturen beim Auftragsschweißen zur Folge haben kann. Zudem wird in manchen Anwendungsfällen eine Kühlluft um den Außenbereich des Grundkörpers geleitet. Durch die Anordnung der Segmente wird die Kühlluft in den vorgesehenen Kanälen in den Heißgaspfad eingedüst, wodurch Warm- und Kaltstellen entspre- chend der Segmentierung an den durch die Ansätze der Segmentierung entstandenen Kreuzungsstellen erzeugt werden. Des Weiteren ist mit der Segmentierung der Panzerungselemente unter Umständen eine Verringerung der Querstabilität und Ver- windungssteifigkeit der den Grundkörper bildenden Ringe ver- bunden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Maschinenkomponente der oben genannten Art anzugeben, deren Panzerungsauftrag eine größtmöglichste Stabilität bei gleichzeiti- ger Weiterverarbeitungsmöglichkeit erreicht sowie eine geringe Belastung der Maschinenkomponente durch das Auftragsverfahren verursacht. Zudem soll das Auftreten von Warm- und Kaltstellen weitestgehend vermieden werden. Des Weiteren soll eine Gasturbine mit einer Anzahl derartiger Maschinenkompo- nenten angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Panzerung von einer Anzahl von Panzerungselementen gebildet ist, die in ihrer Längsrichtung verkippt zur Hauptströmrichtung eines den Grundkörper durchströmenden Heißgases auf dem Grundkörper aufgebracht sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Belastung durch häufige Start- und Stoppvorgänge beim Auftragsschweißen vermieden werden kann, wenn der Schweißvorgang durchgängig durchgeführt wird. Des Weiteren kann durch eine geeignete Anordnung der Panzerungselemente eine besonders hohe Querstabilität erreicht sowie durch eine geeignete Führung der Kühlluft eine negative Einwirkung der Kühlluft auf das thermische Verhalten des Grundkörpers weitestgehend vermieden werden .
Um eine den Grundkörper spiralförmig umlaufende Anordnung der Panzerungselemente und somit eine besonders hohe Stabilität des Grundkörpers sowie eine Reduzierung der Start- und Stopppunkte beim Schweißvorgang für das Auftragsmaterial zu erzielen, ist vorteilhafterweise eine Ausbildung der Panzerungselemente mit einem Verkippungswinkel von mehr als null und weniger als 90° zwischen der Hauptströmrichtung des den Grundkörper durchströmenden Heißgases und der Längsrichtung der Panzerungselemente vorgesehen, womit sich für die Form des Panzerungselements ein Parallelogramm ergibt, aber auch andere geometrische Grundformen denkbar sind.
In besonders vorteilhafter Ausführung ist der Verkippungswinkel derart ausgelegt, dass sich für die Panzerungselemente eine Anordnung der Art ergibt, dass der durch die schräg ausgeführte Panzerungsgeometrie gebildete Kühlluftkanal den Grundkörper in mindestens einfacher Ausführung umläuft und die Kühlluft dadurch einen Drall zur Strömungsrichtung des Heißgases erfährt, wodurch eine weitestgehend gleichmäßige Verteilung der Kühlluft erzielbar ist.
Um eine größtmögliche Flexibilität der mit der Panzerung be- auftragten Maschinenkomponente für eine Weiterverarbeitung zu erreichen, sind die mit einem Verkippungswinkel von mehr als null und weniger als 90° zwischen der Hauptströmrichtung des den Grundkörper durchströmenden Heißgases und der Längsrichtung der Panzerungselemente auf dem Grundkörper angebrachten Panzerungselemente vorteilhafterweise nicht durchgängig, sondern in Segmenten, also mit einer Anzahl von Unterbrechungen des Schweißauftrages, auf dem Grundkörper angeordnet. Damit eine Nacharbeit der bei den für das Auftragen der Panzerung notwendigen Schweißvorgängen möglicherweise auftretenden Überständen der Schweißnähte vermieden und dennoch eine Einhaltung der Toleranzgrenzen sowie eine Homogenisierung der Oberfläche der Maschinenkomponente gewährleistet ist, ist vorteilhafterweise eine Aufbringung der Panzerungssegmente durch Laserpulverauftragsschweißen vorgesehen, aber auch ein Auftrag durch andere Schweißverfahren oder durch Auftragsspritzung denkbar.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anordnung der Panzerungssegmente eine besonders hohe Querstabilität und Verwindungssteifigkeit der den Grundkörper bildenden Ringe sowie eine besonders vor- teilhafte Führung der Kühlluft bei gleichzeitiger Flexibilität des Grundkörpers zur Weiterverarbeitung erzielt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2 einen Schnitt durch eine Brennkammer bei einer
Gasturbine nach FIG 1,
FIG 3 bis 5 jeweils Maschinenkomponenten der Gasturbine nach FIG 1,
FIG 6 einen Grundkörper einer Maschinenkomponente mit Panzerungselementen in grafischer Darstellung, und
FIG 7 eine Anordnung von Panzerungssegmenten in schematischer Darstellung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbi- ne 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist.
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur
Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt. Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher dargestellten Hitzeschildelementen versehen.
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen . Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leit- schaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag von einem die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Leitschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine Plattform 18 auf, die zur Fi- xierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt .
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die innere Oberfläche jedes Führungs- rings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüberliegenden Laufschaufeln 12 einer Laufschaufelreihe durch einen Spalt 24 beabstandet . Dieses Prinzip ist für alle Gasturbinen 1, das heißt beispielsweise mit can, can-annular, annular Brennkammmern oder Silobrennkammern anwendbar. Im nachfolgenden ist unter Gasturbine vor allem eine Gasturbine mit Silo-Brennkammern zu verstehen. Nichtsdestotrotz ist diese Erfindung auf alle Gasturbinen anwendbar.
Wie der einer vergrößerten Darstellung in FIG 2 entnehmbar ist, ist jede der Brennkammern 4 in ihrem Einströmbereich, an dem eine Anzahl von nicht näher spezifizierten
Zuführungsleitungen für Medien, wie Brennstoff und Verbrennungsluft angeschlossen sind, mit einem so genannten Flammrohr 30 ausgerüstet, innerhalb dessen die Verbrennung des Brennstoffs stattfindet. Über ein ebenfalls innerhalb des Gehäuses 32 des jeweiligen Brenners 10 angeordnetes, auch als Mischgehäuse bezeichnetes Übergangsstück 34 ist das Flammrohr 30 ausgangsseitig mit einem Innengehäuse 36 der Brennkammer 4 verbunden .
Das Flammrohr 30, das Übergangsstück 34 und das Innengehäuse 36 sind dabei in der Art ineinander gesteckter Rohre miteinander verbunden, so dass eine zuverlässige Medienstromführung vom Flammrohr 30 in das Innengehäuse 36 der Brennkammer 4 ge- währleistet ist. Die jeweils ineinander gesteckten Rohrenden sind dabei unter Einhaltung der vorgegebenen Maße und Toleranzen möglichst berührungsfrei zueinander positioniert, so dass ein Verschleiß aufgrund von in Kontakt miteinander gera- tenden Komponenten und aneinander reibenden Komponenten möglichst vermieden ist. Allerdings lässt sich betriebsbedingt beim Betrieb der Gasturbine 1 ein immer wiederkehrender Kontakt dieser Komponenten miteinander nicht vermeiden, so dass in jedem Fall mit einem Restverschleiß zu rechnen ist. Um diesem Verschleiß Rechnung zu tragen, ist im Rahmen von War- tungs- und Inspektionsarbeiten eine regelmäßige Überprüfung und gegebenenfalls ein Austausch dieser Komponenten erforderlich.
Um den betrieblichen Aufwand der Gasturbine 1 besonders gering zu halten und die erforderlichen Inspektions- und Wartungsarbeiten weitgehend zu vereinfachen, sind die Komponenten der Gasturbine 1 möglichst verschleißarm ausgelegt. Um dabei dem durch Kontakt der Maschinenkomponenten Flammrohr 30, Übergangsstück 34 und Innengehäuse 36 bedingten Verschleiß Rechnung zu tragen und gerade diesen Verschleiß bei auftretenden Kontakten der Komponenten miteinander besonders gering zu halten, sind die genannten Maschinenkomponenten als gepanzerte Komponenten ausgeführt. Dazu ist jede der Maschi- nenkomponenten Flammrohr 30, Übergangsstück 34 und Innengehäuse 36 aus einem aus Grundmaterial gefertigten Grundkörper 40 aufgebaut, der in einem jeweils in den FIG 3 bis 5 dargestellten Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung 42 aus einem Auftragsmaterial versehen ist. Das Auftragsmaterial ist dabei derart gewählt, dass es im Vergleich zum Grundmaterial eine größere Härte und/oder Zähigkeit aufweist, so dass eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer und auch thermischer Belastung gegeben ist. Das Auftragsmaterial ist dabei jeweils durch Auftragsschweißen auf den Grundkörper 40 aufgebracht.
Um eine Beeinträchtigung der Fertigung, der Montage und auch des Betriebs der jeweiligen Maschinenkomponenten durch die Panzerung 42 zu vermeiden, wie sie beispielsweise durch das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten und damit verbundene Rissbildung beim eigentlichen Schweißvorgang oder auch beim Betrieb bei erhöhter thermischer Belastung auftre- ten könnte, ist die Panzerung 42 der jeweiligen Maschinenkomponente segmentiert ausgeführt. Dazu umfasst die Panzerung 42 eine Mehrzahl von Panzerungssegmenten 44, wobei die Dimensionierung der Panzerungssegmente 44 im Hinblick auf die Dimensionierung der eigentlichen Maschinenkomponente und die ver- wendeten Materialien derart gewählt ist, dass eine zu große Beeinträchtigung des Grundkörpers 40 durch unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten und dergleichen vermieden ist .
Wie der Darstellung in FIG 3 entnehmbar ist, sind die Panzerungssegmente 44 jeweils in zugeordnete Vertiefungen im Grundkörper 40 eingebracht. Die Vertiefungen können dabei durch geeignete Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise durch Fräsen, Drehen oder Schleifen eingebracht worden sein. Die Dimensionierung kann dabei grundsätzlich derart vorgenommen werden, dass auf eine plane Oberfläche des Grundkörpers 40 die Panzerungssegmente 44 aufgebracht werden und dementsprechend ihrer Dicke entsprechende Vertiefungen zwischen ihnen entstehen. Bei der Anbringung der Panzerungssegmente 44 kann die Anfertigung jedoch auch, wie dies in den FIG 3 bis 5 gezeigt ist, derart erfolgen, dass die äußere Oberfläche der Panzerungssegmente 44 mit der äußeren Oberfläche der zwischen den äußeren Panzerungssegmenten 44 verlaufenden Stege 46 des Grundkörpers 40 eine durchgängige und somit plane Oberfläche bilden. Des Weiteren können die Panzerungssegmente 44 auch auf eine ebene, nicht vertiefte Fläche aufgebracht werden.
Als fertige Maschinenkomponente entsteht dabei ein Bauteil, das hinsichtlich seiner Formgebung, Dimensionierung und Maß- haltigkeit einem ursprünglich vorgesehenen Bauteil weitestge- hend entspricht und insbesondere eine entsprechend glatte und planare Oberfläche aufweist. In FIG 4 ist gezeigt, dass auch ein gebogener Kühlluftring 50 als zumindest teilweise gepanzerte Maschinenkomponente der genannten Art ausgeführt sein kann. Der Kühlluftring 50 ist dabei an seiner Oberfläche ebenfalls mit Panzerungssegmenten 44 versehen, die in entsprechende Vertiefungen des den Kühlluftring 50 bildenden Grundkörpers 40 eingearbeitet sind. Im Grundkörper 40 des Kühlluftrings 50 sind dabei zusätzlich noch Kühlluftkanäle 52 vorgesehen, die durch entsprechende Bohrungen gebildet sind. Durch die Ausformung der auch als Taschen bezeichneten Vertiefungen, in denen die Panzerungssegmente 44 dabei angeordnet sind, wobei die genannten Vertiefungen nicht als Taschen ausgebildet sein müssen, sondern auch eine hier nicht dargestellte umlaufende Nut denkbar ist, kann die gewünschte Geometrie des Kühlluftrings 50 beibehal- ten werden. Dennoch wird auch bei Verwendung der Panzerungssegmente 44 eine nahezu glatte und somit strömungsgünstige Oberfläche und ein ebener Übergang zum Grundkörper 40 geschaffen. Dadurch ist eine verstärkte Verschleißreduktion und eine verbesserte Bindung zwischen den verwendeten Materialien gewährleistet.
In FIG 5 ist gezeigt, dass als derartig gepanzerte Maschinenkomponenten insbesondere das Übergangsstück 34 und das Flammrohr 30 der Gasturbine 1 in ihrem überlappenden Bereich aus- geführt sind. Panzerungen 42 dieser Maschinenkomponenten sind dabei jeweils auf den einander zugewandten Oberflächensegmenten vorgesehen. Bei einer derartigen benachbarten Anordnung zweier derartig gepanzerter Maschinenkomponenten ist zudem, wie dies vorliegend für das Übergangsstück 34 und das Flamm- röhr 30 vorgesehen ist, durch eine geeignete Materialwahl für die Panzerungen 42 eine gezielte Fokussierung des Verschleißes auf eine der beiden Maschinenkomponenten, insbesondere auf die leichter austauschbare Maschinenkomponente, ermöglicht. Dazu ist vorliegend gezielt vorgesehen, das Auftrags- material für die Panzerung 42 des Flammrohres 30 von geringerer Härte und/oder Zähigkeit zu wählen als das Material für die Panzerung 42 des Übergangsstücks 34. Aber auch eine umgekehrte Anordnung, die ein Auftragsmaterial für die Panzerung 42 des Übergangsstücks 34 mit einer geringeren Härte und/oder Zähigkeit als für die Panzerung 42 des Flammrohres 30 vorsieht, kann sich als sinnvoll erweisen.
Die FIG 6 zeigt den Grundkörper 40 mit den Kühlluftkanälen 52 und den aufgebrachten Panzerungselementen 54, wobei in dieser Ausführung der Winkel zwischen der Hauptströmrichtung 56 des an den Wänden des Grundkörpers 40 entlangströmenden Heißgases und der Längsrichtung der Panzerungselemente 54 besonders klein gewählt ist. Die Panzerungselemente 54 umgeben den
Grundkörper 40 in einer derartigen Ausführung in Form einer Helix, wobei der Verkippungswinkel je nach Anforderung in einem Bereich größer 0 und kleiner 90° zu wählen ist.
Dadurch können die vorteilhafterweise durch Laserpulverauf- tragsschweißung auf den Grundkörper 40 aufgebrachten Panzerungselemente 54 in einem durchgängigen Schweißvorgang ohne Start-/Stopp-Betrieb aufgebracht und die mit dem jeweiligen Abbrechen und neuen Ansetzen des Schweißvorgangs verbundenen Risiken, besonders die Fehleranfälligkeit beim Schweißpro- zess, reduziert werden. Auch die thermischen Beeinträchtigungen und somit Materialbelastungen des Grundkörpers 40 und des Auftragsmaterials können durch einen durchgängigen Schweißvorgang weitgehend vermieden werden.
Ebenfalls ist eine Segmentierung der Panzerung 42, auch in dieser Ausführung, durch Unterbrechung der Schweißvorgänge der Auftragsschweißung denkbar. Dadurch kann eine Erhöhung der Flexibilität der Maschinenkomponente erzielt werden.
Dagegen zeigt die FIG 7 die auf dem Grundkörper 40 in einem gegenüber der Ansicht in FIG 6 größeren Winkel zwischen der Hauptströmrichtung 56 des Gases und der Längsrichtung der Panzerungselementen 54 aufgebrachten Panzerungselemente 54. Dies ist in der Form vergleichbar den Gewindegängen einer Schraube oder eines Gewindestabes, wobei die Steigung der durch die Panzerungselemente 54 gebildeten, einem Gewinde der genannten Art vergleichbaren Ausführung der Panzerung 42 durch den Verkippungswinkel bestimmt ist. Bei einer entsprechend kleinen Auslegung des Verkippungswinkels entsteht durch die Ausrichtung der Panzerungselemente 54 nur eine Bahn, also ein Umlauf der durch die Auftragsschweißung gebildeten der Panzerungselemente 54 um den Grundkörper und somit auch nur ein Kanal für beispielsweise die Führung der Kühlluft.
Je größer der Verkippungswinkel ausgelegt ist, der in der FIG 7 mit 45° vorgesehen ist, desto mehr Umläufe der Panze- rungselemente 54 um den Grundkörper 40 finden statt. Durch die gezeigte Anbringung umlaufen die Panzerungselemente 54 den Grundkörper 40 mehrfach, wodurch eine Segmentierung der Panzerungselemente 54, also eine Aufteilung der Panzerung in die Panzerungssegmente 44, entsteht und die Panzerungssegmen- te 44 in mehreren Schweißvorgängen aufzubringen sind.
Die einzelnen Panzerungssegmente 44 werden zur Querverstärkung des Grundkörpers 40 genutzt, wobei ein nachträgliches Weiterverarbeiten des mit dem Auftragsmaterial versehenen Grundkörpers 40, beispielsweise Biegen oder dergleichen, aufgrund der Segmentierung der Panzerungselemente 54 weiterhin möglich ist.
Durch den Verkippungswinkel zwischen der Hauptströmrichtung 56 des Gases und der Längsrichtung der Panzerungselementen 54 entstehen Kanäle, wobei im Falle von in die Kanäle einströmender Kühlluft diese einen Drall zur Strömungsrichtung 56 des den Grundkörper 40 durchströmenden Heißgases erfährt und somit die Kühlluft gleichmäßiger als beispielsweise bei einer Segmentierung der Panzerung in Rechteckform am Umfang des
Grundkörpers 40 verteilt wird. Dadurch können Temperatur- und Spannungsunterschiede entsprechend der Auslegung der Kanäle und eine übermäßige, die Maschinenkomponenten belastende, Warm- und Kaltstellenbildung reduziert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Maschinenkomponente mit einem aus einem Grundmaterial gefertigten Grundkörper (40), der in einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einer Panzerung (42) aus einem Auftragsmaterial mit einer im Vergleich zum Grundmaterial größeren Härte und/oder Zähigkeit versehen ist, wobei die Panzerung (42) von einer Anzahl von Panzerungselementen (54) gebildet ist, die in ihrer Längsrichtung verkippt zur Hauptströmrichtung (56) eines den Grundkörper (40) durchströmenden Heißgases auf dem Grundkörper (40) aufgebracht sind.
2. Maschinenkomponente nach Anspruch 1, wobei der Verkip- pungswinkel größer 0° und kleiner 90° ist.
3. Maschinenkomponente nach Anspruch 1 oder 2, bei der das oder die Panzerungselemente (54) segmentiert sind.
4. Maschinenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das oder die Panzerungselemente (54) durch Schweißung auf dem Grundkörper (40) aufgebracht sind.
5. Maschinenkomponente nach Anspruch 4, bei der das oder die Panzerungselemente (54) durch Laserpulverauftragsschweißung auf dem Grundkörper (40) aufgebracht sind.
6. Maschinenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das oder die Panzerungselemente (54) Auftragsspritzung auf dem Grundkörper (40) aufgebracht sind.
7. Gasturbine (1) mit einer Anzahl von Maschinenkomponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Gasturbine nach Anspruch 7, bei dem ein Flammrohr (30) ei- ner Brennkammer (4), ein Mischgehäuse (34) einer Brennkammer
(4) und/oder ein Innengehäuse einer Brennkammer (4) als Maschinenkomponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgestaltet sind.
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