EP2313615B2 - Schaufelanordnung einer gasturbine - Google Patents
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- 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 fluid machines, in particular gas turbines. It relates to a blade arrangement of a thermal fluid machine according to the preamble of claim 1.
- Fig. 1 In the simplest case, like this Fig. 1 is shown based on the blade arrangement 10, no special measures are taken to optimize the gap width:
- the blade arrangement 10 of the Fig. 1 is not designed for grinding the blade tips 27 into the heat shield 12.
- the game 25 between the blade tips 27 and the heat shield 12 takes into account the different thermal expansions and is therefore comparatively large in order to avoid grinding of the components during operation.
- blade arrangements 20 are according to Fig. 2 been suggested (see e.g. the EP-A2-0 166 676 , EP-A2-1 312 760 or the US-A1-2008166225 ), in which abrasive bodies (grains) 21 (e.g. made of silicon carbide or cubic boron nitride cBN) are embedded in a carrier layer 19 on the blade tip 27 of the rotor blades, with which the blade tip 27 is in operation in a grindable thermal barrier coating 18 (Thermal Barrier Coating TBC ) can grind into the opposite heat shield 12.
- a layer of metallic MCrAlY can be used as the carrier layer 19 for the grinding wheels 21, as well as as an adhesive layer 17 under the thermal insulation layer 18.
- the abrasive layer 19, 21 of such a blade arrangement has a comparatively complex structure due to the embedded abrasive bodies and is therefore complex to produce.
- document US-A1-5 883 314 discloses a method for producing abradable coatings on thermally stressed components of gas turbines, which are characterized by good abrasion properties and at the same time high binding effect to the substrate. Areas of application are stator parts of the hot gas channel or blade parts. Layer-like, flexible preforms based on modified MCrAIY alloys are applied to the areas of the turbine component in question, for example the blade tip, and metallurgically bonded to it. The production of the multilayer preforms is comparatively complex.
- EP-A2-0 965 730 discloses suitable material combinations of interacting abrasive and abradable surfaces in gas turbines, in particular heat shield and blade tip, based on an abrasive blade tip and an abradable surface of the heat shield.
- the heat shield has an erosion-resistant surface made of a first ceramic material, which is firmly connected to the substrate by means of an adhesive layer. In a limited area, the contact area with the rotating blade tip, an abradable wear layer made of a second ceramic material is applied.
- the impacting blade tip is covered with an abrasive coating, preferably according to US-A-4,936,745 , i.e. equipped with grinding wheels made of silicon carbide or cubic boron nitride embedded in a metallic carrier layer. This solution is also characterized by elaborately finished surfaces of the components involved.
- the publication US-A1-2003/175116 describes an abradable coating for stator components of a compressor or gas turbine.
- the blade tip and heat shield have means that enable the blade tip to be specifically ground into the heat shield.
- the outer layer of the heat shield itself has a porous thermal insulation layer with polygonal depressions (Fig. 6) or grooves running in the circumferential direction, delimited by wall projections (Fig. 7, 8), while the rotor blade tip has a circumferential cutting edge (Fig. 4, 5 ) is equipped to cut into the abradable coating of the heat shield. Equipping the blade tip with circumferential cutting edges increases the manufacturing effort and - at least when used in gas turbines - the effort for blade cooling in this area.
- the invention aims to provide a remedy here. It is therefore the 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 grinding behavior without the need for a special abrasive layer on the blade tip must become.
- the heat shield has a porous thermal insulation layer made of a porous ceramic layer as an outer, abradable layer, and that the blade tip is only provided with a homogeneous metallic cover layer made of MCrAIY.
- the porous thermal insulation layer enables the blade tip covered with the covering layer to grind into the heat shield even without a special grinding wheel or abrasive layer, thus optimally minimizing the play between the blade tip and the opposite heat shield.
- the blade is a rotor blade or a guide blade of a thermal turbomachine, in particular a gas turbine, with a heat shield attached to the rotor opposite the blade tip in the case of a guide blade.
- the blade is a blade rotating about the axis, while the heat shield is mounted in a stationary manner on the stator of the gas turbine.
- porous ceramic layer consists of YSZ.
- the porosity of the thermal insulation layer is preferably greater than 20%.
- An adhesive layer in particular made of MCrAIY, is advantageously arranged between the heat shield and the thermal insulation layer.
- Another embodiment is characterized in that the rotor blade is part of the first row of rotor blades in the turbine part of the gas turbine.
- a preferred exemplary embodiment of a blade arrangement 30 is shown.
- 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 thermal insulation layer 23 is provided on the heat shield 12 as the layer to be abraded during grinding, which is connected to the substrate of the heat shield 12 via an adhesive layer 22 located therebetween.
- a metallic oxidation protection layer made of MCrAlY can be provided in the usual way as the adhesive layer 22.
- thermal insulation layer 23 is sufficiently easy to sand - without losing its thermal properties.
- a porous thermal insulation layer 23 made of a porous ceramic layer, which can consist in particular of YSZ (yttrium oxide-stabilized zirconium oxide), the porosity being created, for example, by embedded polymers that are later baked out. It has proven to be advantageous if the porosity of the thermal insulation layer is greater than 20%, for example in the range of 22-24%.
- the abrasion on the blade tip 27 during grinding is comparatively small compared to the depth of the grinding area 28, 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 media) made of MCrAlY, which is anyway provided as a protective layer against oxidation of the blade material.
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Description
- 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.
- 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 derFig. 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. dieEP-A2-0 166 676 ,EP-A2-1 312 760 oder dieUS-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 gemäßUS-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. - 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.
- 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 frĂĽhere 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. - 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 (inFig. 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 fĂĽr das Einschleifen getroffen werden, wodurch sich die Herstellung der Schaufel 11 wesentlich vereinfacht.
-
- 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)
- 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) mit Schichten (22, 23, 24) bedeckt sind, 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 MCrAlY versehen ist.
- 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.
- Schaufelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Keramikschicht aus YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid) besteht.
- Schaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Wärmedämmschicht (23) grösser 20 % ist.
- Schaufelanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das zwischen dem Hitzeschild (12) und der Wärmedämmschicht (23) eine Haftschicht (22), insbesondere aus MCrAlY, angeordnet ist.
- Schaufelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (11) Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.
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