EP2313615B1 - Schaufelanordnung einer gasturbine - Google Patents

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EP2313615B1
EP2313615B1 EP09781705.0A EP09781705A EP2313615B1 EP 2313615 B1 EP2313615 B1 EP 2313615B1 EP 09781705 A EP09781705 A EP 09781705A EP 2313615 B1 EP2313615 B1 EP 2313615B1
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EP
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blade
heat shield
coating
blade tip
gas turbine
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EP2313615B2 (de
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Thomas Heinz-Schwarzmaier
Thomas Duda
Alexander Schnell
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
Original Assignee
Alstom Technology AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal turbomachines, in particular gas turbines. It relates to a blade arrangement of a thermal turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • blade arrangements 20 are according to FIG Fig. 2 have been proposed (see for example the EP-A2-0 166 676 .
  • EP-A2-1 312 760 or the US A1-2008166225 ) in which at the blade tip 27 of the blades in a support layer 19 embedded abrasive (grains) 21 (eg silicon carbide or cubic boron nitride cBN) are arranged, with which the blade tip 27 in operation in an abradable thermal barrier coating 18 (Thermal Barrier Coating TBC ) can grind on the opposite heat shield 12.
  • a layer of metallic MCrAlY may be used as the carrier layer 19 for the abrasive bodies 21, as well as the adhesive layer 17 under the thermal barrier coating 18.
  • the abrasive layer 19, 21 of such a blade arrangement is constructed comparatively complex by the embedded abrasive body and therefore expensive to manufacture.
  • EP-A2-0 965 730 discloses suitable combinations of materials of interacting abrasive and abradable surfaces in gas turbines, particularly heat shield and blade tip, based on an abrasive blade tip and an abradably equipped surface of the heat shield.
  • the Heat shield has an erosion-resistant surface made of a first ceramic material, which is firmly connected by means of an adhesive layer to the substrate. In a limited area, the contact area with the rotating blade tip, an abradable wear layer of a second ceramic material is applied.
  • the acting blade tip is with an abrasive coating, preferably according to US-A-4,936,745 , So with embedded in a metallic support layer grinding bodies of silicon carbide or cubic boron nitride equipped. This solution is also characterized by elaborately equipped surfaces of the components involved.
  • Blade tip and heat shield have means that allow a targeted grinding of the blade tip in the heat shield.
  • the heat shield itself has as its outer layer a porous thermal barrier coating with polygonal depressions (FIG. 6) or circumferentially extending grooves defined by wall projections (FIGS. 7, 8), while the blade tip is provided with a peripheral cutting edge (FIGS. 4, 5) ) is equipped for cutting into the abradable coating of the heat shield.
  • the equipment of the blade tip with circumferential cutting edges increases the production effort and - at least when used in the gas turbine - the cost of blade cooling in this area.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a blade arrangement which avoids the disadvantages of known blade arrangements and, with a simple structure, produces a comparable loop-in behavior without the need to provide a special abrasive layer on the blade tip.
  • the heat shield as an external, abradable Layer has a porous thermal barrier coating of a porous ceramic layer, and that the blade tip is provided only with a homogeneous metallic cover layer of MCrAIY.
  • the porous thermal barrier coating allows the blade tip covered with the cover layer to be looped into the heat shield without special abrasive particles or abrasive layer, thereby optimally minimizing play between the blade tip and the opposite heat shield.
  • the blade is a blade or a vane of a thermal turbomachine, in particular a gas turbine, wherein in the case of a vane of the blade tip is opposite to a heat shield attached to the rotor.
  • the blade is a rotating blade about the axis, while the heat shield is fixedly mounted on the stator of the gas turbine.
  • porous ceramic layer consists of YSZ.
  • porosity of the thermal barrier coating is greater than 20%.
  • an adhesive layer in particular of MCrAIY, is advantageously arranged.
  • Another embodiment is characterized in that the blade is part of the first blade row in the turbine part of the gas turbine.
  • Fig. 3 is a preferred embodiment of a blade assembly 30 according to the invention reproduced.
  • a rotatable about the axis 16 of the gas turbine blade 11 with the blade tip 27 a heat shield 12 with game 25 opposite.
  • the clearance 25 and thus the efficiency of the turbine are optimized by grinding the blade tip 27 into the coating 22, 23 of the heat shield 12 (in Fig. 3 the possible grinding area 28 on the heat shield is indicated by a dashed line).
  • a heat-insulating layer 23 is provided on the heat shield 12, which is connected to the substrate of the heat shield 12 via an adhesive layer 22 lying therebetween.
  • the adhesive layer 22 may be provided in a conventional manner, a metallic oxidation protection layer of MCrAIY.
  • the abrasion at the blade tip 27 in comparison to the depth of the grinding-in region 28 during grinding is comparatively small, so that a special grinding layer on the blade tip 27 can be dispensed with. It is therefore sufficient if the blade tip 27 is covered with a homogeneous cover layer 24 (without abrasive particles) of MCrAlY, which is provided as a protective layer against the oxidation of the blade material in any case.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufelanordnung einer thermischen Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Für den Wirkungsgrad einer Gasturbine ist es von grosser Wichtigkeit, insbesondere im Turbinenteil, in dem die heissen Gase aus der Brennkammer entspannt werden, die zwischen dem beschaufelten drehenden Rotor und dem umgebenden Stator auftretenden Spalte im Bereich der Beschaufelung möglichst klein zu halten.
  • Im einfachsten Fall, wie dies in Fig. 1 anhand der Schaufelanordnung 10 wiedergegeben ist, werden für eine Optimierung der Spaltbreite keine speziellen Massnahmen ergriffen: Die in den Heissgaskanal 13 der Gasturbine radial hineinragenden, um die Achse 16 drehenden Laufschaufeln 11 enden in einer mit einer ersten Abdeckschicht 15 versehenen Schaufelspitze 27, die mit einem Spiel 25 einem die äussere Wand 26 des Heissgaskanals 13 bildenden Hitzeschild 12 gegenüberliegt, welcher mit einer zweiten Abdeckschicht 14 versehen ist. Die Abdeckschichten 14 und 15, die beispielsweise aus MCrAIY bestehen können, schützen die Bauteile 11 und 12 vor den schädlichen Einwirkungen der heissen Gase im Heissgaskanal 13, insbesondere vor unerwünschter Oxidation. Die Schaufelanordnung 10 der Fig. 1 ist nicht für ein Einschleifen der Schaufelspitzen 27 in den Hitzeschild 12 ausgelegt. Das Spiel 25 zwischen den Schaufelspitzen 27 und dem Hitzeschild 12 berücksichtigt die verschiedenen Wärmedehnungen und ist daher vergleichsweise gross, um ein Schleifen der Bauteile im Betrieb zu vermeiden.
  • Um das Spiel 25 reduzieren zu können, sind Schaufelanordnungen 20 gemäss Fig. 2 vorgeschlagen worden (siehe z.B. die EP-A2-0 166 676 , EP-A2-1 312 760 oder die US-A1-2008166225 ), bei denen an der Schaufelspitze 27 der Laufschaufeln in eine Trägerschicht 19 eingebettet Schleifkörper (Körner) 21 (z.B. aus Siliziumkarbid oder kubischem Bornitrid cBN) angeordnet sind, mit denen sich die Schaufelspitze 27 im Betrieb in eine abschleifbare Wärmedämmschicht 18 (Thermal Barrier Coating TBC) auf dem gegenüberliegenden Hitzeschild 12 einschleifen kann. Als Trägerschicht 19 für die Schleifkörper 21 kann beispielsweise eine Schicht aus metallischem MCrAIY verwendet werden, ebenso wie als Haftschicht 17 unter der Wärmedämmschicht 18.
  • Die Schleifschicht 19, 21 einer solchen Schaufelanordnung ist durch die eingelagerten Schleifkörper vergleichsweise komplex aufgebaut und daher aufwändig in der Herstellung.
  • Dokument US-A1-5 883 314 offenbart ein Verfahren zur Herstellung abreibbarer Beschichtungen auf thermisch beanspruchten Komponenten von Gasturbinen, welche sich durch gute Abriebeigenschaften bei gleichzeitig hoher Bindungswirkung an das Substrat auszeichnen. Einsatzgebiete sind Statorteile des Heißgaskanals oder Schaufelteile. Schichtartig aufgebaute biegsame Vorformlinge auf Basis modifizierter MCrAIY-Legierungen werden auf die fraglichen Bereiche der Turbinenkomponente, beispielsweise die Schaufelspitze, aufgebracht und mit ihr metallurgisch verbunden. Die Herstellung der mehrschichtigen Vorformlinge ist vergleichsweise aufwändig.
  • EP-A2-0 965 730 offenbart geeignete Materialkombinationen in Wechselwirkung stehender abrasiver und abreibbarer Oberflächen in Gasturbinen, insbesondere Hitzeschild und Laufschaufelspitze, basierend auf einer abrasiv ausgerüsteten Schaufelspitze und einer abreibbar ausgerüsteten Oberfläche des Hitzeschilds. Der Hitzeschild besitzt eine erosionsbeständige Oberfläche aus einem ersten keramischen Material, welche mittels einer Haftschicht fest mit dem Substrat verbunden ist. In einem begrenzten Bereich, dem Kontaktbereich mit der rotierenden Schaufelspitze, ist eine abreibbare Verschleißschicht aus einem zweiten keramischen Material aufgebracht. Die einwirkende Laufschaufelspitze ist mit einer abrasiven Beschichtung, vorzugsweise gemäß US-A-4 936 745 , also mit in eine metallische Trägerschicht eingebetteten Schleifkörpern aus Siliziumkarbid oder kubischem Bornitrid, ausgerüstet. Auch diese Lösung zeichnet sich durch aufwändig ausgerüstete Oberflächen der beteiligten Komponenten aus.
  • Die Druckschrift US-A1- 2003/175116 beschreibt eine abreibbare Beschichtung für Statorkomponenten eines Verdichters oder einer Gasturbine. Schaufelspitze und Hitzeschild weisen Mittel auf, welche ein gezieltes Einschleifen der Schaufelspitze in den Hitzeschild ermöglichen. Der Hitzeschild selbst weist als äussere Schicht eine poröse Wärmedämmschicht mit polygonalen Vertiefungen (Fig. 6) oder in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten, begrenzt von Wandvorsprüngen (Fig. 7, 8), auf, während die Laufschaufelspitze mit einer umlaufenden Schneidkante (Fig. 4, 5) zum Einschneiden in die abreibbare Beschichtung des Hitzeschildes ausgerüstet ist. Die Ausrüstung der Schaufelspitze mit umlaufenden Schneidkanten erhöht den Herstellungsaufwand und - jedenfalls bei einem Einsatz in der Gasturbine - den Aufwand für die Schaufelkühlung in diesem Bereich.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaufelanordnung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Schaufelanordnungen vermeidet und bei einfachem Aufbau ein vergleichbares Einschleifverhalten erzeugt, ohne dass an der Schaufelspitze eine spezielle Schleifschicht vorgesehen werden muss.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Hitzeschild als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht aus einer porösen Keramikschicht aufweist, und dass die Schaufelspitze lediglich mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht aus MCrAIY versehen ist. Die poröse Wärmedämmschicht ermöglicht es der mit der Abdeckschicht bedeckten Schaufelspitze, sich auch ohne spezielle Schleifkörper bzw. Schleifschicht in den Hitzeschild einzuschleifen und so das Spiel zwischen Schaufelspitze und gegenüberliegendem Hitzeschild optimal zu minimieren.
  • Grundsätzlich ist die Schaufel eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer thermischen Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei im Falle einer Leitschaufel der Schaufelspitze ein am Rotor befestigter Hitzeschild gegenüberliegt. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaufel eine um die Achse rotierende Laufschaufel, während der Hitzeschild am Stator der Gasturbine ortsfest montiert ist.
  • Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die poröse Keramikschicht aus YSZ, besteht. Vorzugsweise ist dabei die Porosität der Wärmedämmschicht grösser als 20 %.
  • Zwischen dem Hitzeschild und der Wärmedämmschicht ist mit Vorteil eine Haftschicht, insbesondere aus MCrAIY, angeordnet.
  • Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.
    • Kurze Erläuterung der Figuren
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
    • Fig. 1
    in einer stark vereinfachten Darstellung eine frühere Schaufelanordnung ohne die Möglichkeit des Einschleifens;
    Fig. 2
    in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine andere frühere Schaufelanordnung mit einer speziellen Schleifschicht auf der Schaufelspitze und
    Fig. 3
    in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine für das Einschleifen vorgesehen Schaufelanordnung mit einer einfachen Abdeckschicht auf der Schaufelspitze gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Schaufelanordnung 30 nach der Erfindung wiedergegeben. In dem Beispiel steht wiederum einer um die Achse 16 der Gasturbine drehbaren Laufschaufel 11 mit der Schaufelspitze 27 ein Hitzeschild 12 mit Spiel 25 gegenüber. Das Spiel 25 und damit der Wirkungsgrad der Turbine werden durch Einschleifen der Schaufelspitze 27 in die Beschichtung 22, 23 des Hitzeschilds 12 optimiert (in Fig. 3 ist der mögliche Einschleifbereich 28 am Hitzeschild durch eine gestrichelte Linie angedeutet).
  • Als beim Einschleifen abzuschleifende Schicht ist am Hitzeschild 12 eine Wärmedämmschicht 23 vorgesehen, die über eine dazwischen liegende Haftschicht 22 mit dem Substrat des Hitzeschilds 12 verbunden ist. Als Haftschicht 22 kann in üblicher Weise eine metallische Oxidationsschutzschicht aus MCrAIY vorgesehen werden.
  • Bei Versuchen hat sich nun herausgestellt, dass ein Einschleifen der Schaufelspitze in die Wärmedämmschicht 23 auch ohne spezielle Schleifschicht auf der Schaufelspitze 27 möglich ist und zu guten Resultaten führt, wenn die Wärmedämmschicht 23 - ohne ihre thermischen Eigenschaften zu verlieren - ausreichend leicht abzuschleifen ist. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass eine poröse Wärmedämmschicht 23 aus einer porösen Keramikschicht, die insbesondere aus YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid) bestehen kann, verwendet wird, wobei die Porosität beispielsweise durch eingelagerte Polymere erzeugt wird, die später ausgeheizt werden. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Porosität der Wärmedämmschicht grösser als 20 % ist, also beispielsweise im Bereich von 22-24 % liegt.
  • Bei einer solchen porösen Wärmedämmschicht 23 ist beim Einschleifen der Abrieb an der Schaufelspitze 27 gegenüber der Tiefe des Einschleifbereichs 28 vergleichsweise klein, so dass auf eine spezielle Schleifschicht an der Schaufelspitze 27 verzichtet werden kann. Es reicht daher aus, wenn die Schaufelspitze 27 mit einer homogenen Abdeckschicht 24 (ohne Schleifkörper) aus MCrAIY bedeckt ist, die als Schutzschicht gegen die Oxidation des Schaufelmaterials ohnehin vorgesehen ist.
  • Auf diese Weise brauchen an der Schaufel 11 keine besonderen Vorkehrungen für das Einschleifen getroffen werden, wodurch sich die Herstellung der Schaufel 11 wesentlich vereinfacht.
    • Bezugszeichenliste
    • 10,20.30
    Schaufelanordnung (Gasturbine)
    11
    Laufschaufel
    12
    Hitzeschild
    13
    Heissgaskanal
    14,15,24
    Abdeckschicht
    16
    Achse
    17,22
    Haftschicht
    18,23
    Wärmedämmschicht (TBC)
    19
    Trägerschicht
    21
    Schleifkörper
    25
    Spiel
    26
    Wand (Heissgaskanal)
    27
    Schaufelspitze
    28
    Einschleifbereich

Claims (6)

  1. Schaufelanordnung (30) einer thermischen Strömungsmaschine mit wenigstens einer Schaufel (11), welche in radialer Richtung in einen zu einer Achse (16) konzentrisch angeordneten Heissgas durchströmten Kanal (13) hineinragt und in einer Schaufelspitze (27) endet, die mit einem Spiel (25) einem den Kanal (13) begrenzenden Hitzeschild (12) gegenüber liegt, wobei die Schaufel (11) und der Hitzeschild (12) in Umfangsrichtung relativ zueinander beweglich sind, und die Schaufelspitze (27) und der Hitzeschild (12) Mittel (22, 23, 24) aufweisen, welche ein gezieltes Einschleifen der Schaufelspitze (27) in den Hitzeschild (12) ermöglichen, und wobei der Hitzeschild (12) als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Wärmedämmschicht (23) eine poröse Keramikschicht ist und dass die Schaufelspitze (27) lediglich mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht (24) aus MCrAIY versehen ist.
  2. Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Strömungsmaschine eine Gasturbine ist, dass die Schaufel eine um die Achse (16) rotierende Laufschaufel (11) ist, und dass der Hitzeschild (12) am Stator der Gasturbine ortsfest montiert ist.
  3. Schaufelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Keramikschicht aus YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid) besteht.
  4. Schaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Wärmedämmschicht (23) grösser 20 % ist.
  5. Schaufelanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das zwischen dem Hitzeschild (12) und der Wärmedämmschicht (23) eine Haftschicht (22), insbesondere aus MCrAIY, angeordnet ist.
  6. Schaufelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (11) Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.
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EP2313615A1 EP2313615A1 (de) 2011-04-27
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CH (1) CH699312A1 (de)
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