EP2604797B1

EP2604797B1 - Laufschaufel mit einer Rippenanordnung mit abrasiver Beschichtung

Info

Publication number: EP2604797B1
Application number: EP11193177.0A
Authority: EP
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: US20130149165A1; ES2773743T3; EP2604797A1; US9797264B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit einer radial äußeren, auf einem Deckband der Laufschaufel angeordneten, wenigstens zwei nach radial außen gerichteten Rippen aufweisenden Rippenanordnung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer solchen Laufschaufel.
Aus der EP 1 550 741 A1 ist es bekannt, Laufschaufeln radial außen am Deckband mit Rippen zu versehen, um einen Leckagespalt zu einer umgebenden, insbesondere wabenartigen, Dichtfläche, zu reduzieren und so den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu erhöhen. Die Druckschrift schlägt vor, die Rippen stirnseitig mit einer abrasiven Beschichtung zu versehen, die sich in ein Opfermaterial der Dichtfläche einschleift.
Aus der US 5,794,338 A ist ein Verfahren zum Reparieren von beschädigten Beschichtungen an Enden von Turbinenschaufeln in Turbomaschinen, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, bekannt. Aus der JP 2005127276 sind Laufschaufeln mit axial beabstandeten Rippen auf dem Deckband bekannt, wobei die Rippen in einem Winkel zur Umfangsrichtung angestellt sind. Aus der EP 2 372 093 ist eine Laufschaufel mit einer in Umlaufrichtung orientierten rippenzugartigen Schneidestruktur mit beschichteten Schneidekanten bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Turbomaschine zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Laufschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die in einer Verdichter - und/oder Turbinenstufe einer Gasturbine verwendet werden kann. Anspruch 6 stellt eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einer Laufschaufelanordnung mit solchen Laufschaufeln unter Schutz. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf der Idee, durch eine Rippenbeschichtung nicht bzw, nicht nur eine härtere, sondern (auch) eine größere Oberfläche zur Verfügung zu stellen.
Hierzu weist eine Laufschaufel eine radial äußere, auf einem Deckband der Laufschaufel angeordnete Rippenanordnung auf. Die Rippenanordnung weist wenigstens zwei nach radial außen gerichtete Rippen auf. Die Rippen weisen wenigstens an den jeweils beiden Seitenflächen eine Beschichtung auf. Diese Beschichtungen sind über ihre radial äußeren Stirnflächen der jeweiligen Rippen miteinander verbunden. Die Dicke der Beschichtung nimmt, bezogen auf einen Schnitt quer zur Rippe, auf den beiden radialen Seitenflächen der Rippe radial nach außen zu.
Die Laufschaufel weist eine Rippenanordnung mit mehreren, in Axialrichtung hintereinander angeordneten Rippen auf. Als Axialrichtung wird vorliegend insbesondere eine Koordinatenrichtung bezeichnet, die mit einer Drehachse der Laufschaufel bzw. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, fluchtet, als Radialrichtung entsprechend eine Richtung, die sich senkrecht von der Drehachse weg erstreckt, als Umfangsrichtung eine Richtung, welche sich senkrecht zu der Drehachse und senkrecht zur Radialrichtung, insbesondere in Drehrichtung der Laufschaufel bzw. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, erstreckt.
Auf wenigstens zwei oder mehr, insbesondere benachbarten, und bevorzugt auf allen Rippen der Rippenanordnung ist jeweils eine Beschichtung angeordnet. Diese ist vorzugsweise aus Metall, Kunststoff und/oder Keramik hergestellt. Die Beschichtung weist in einer bevorzugten Ausführung eine größere Härte auf als die Rippe selber. Als Härte wird vorliegend insbesondere eine Härte nach Vickers, Rockwell, Brinell oder einem ähnlichen Testprotokoll bezeichnet.
Um durch diese Beschichtung(en) eine größere Oberfläche zur Verfügung zu stellen und so insbesondere die Dichtwirkung und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen, weisen mehrere, vorzugsweise alle Beschichtungen der Rippenanordnung in einem Meridianschnitt jeweils eine Außenkontur auf, welche sich in radialer Richtung nach außen, d.h. mit zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse, axial bzw. in Axialrichtung erweitert.
Unter einem Meridianschnitt wird vorliegend insbesondere ein Querschnitt verstanden, welcher die Axialrichtung und die Radialrichtung enthält. Eine Außenkontur kann sich in radialer Richtung nach außen in einer bevorzugten Ausführung monoton, insbesondere streng monoton, erweitern. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass ein Abstand in Axialrichtung zwischen den beiden Außenflanken der Außenkontur mit wachsendem radialen Abstand zur Drehachse, wenigstens im Wesentlichen, stets wenigstens gleich bleibt (monoton) oder sogar stets zunimmt (streng monoton). Gleichermaßen sind jedoch auch Außenkonturen umfasst, deren Außenflanken sich in begrenzten radialen Bereichen einander nähern. Allgemein wird daher unter einer Außenkontur, welche sich in radialer Richtung nach außen erweitert, insbesondere eine Außenkontur mit zwei einander gegenüberliegenden Außenflanken verstanden, deren Abstand in axialer Richtung in einem ersten, geringeren Abstand zur Drehachse kleiner ist als in einem zweiten, größeren Abstand zur Drehachse,
Infolge einer solchen radial nach außen zunehmenden Außenkontur nähert sich die Außenflanke der Beschichtung einer benachbarten Rippe oder Beschichtung in Axialrichtung gesehen an, so dass sich ein Axialspalt zwischen Beschichtung und benachbarter Rippe oder Beschichtung verringert. Hierdurch wird radial außen eine größere Oberfläche zur Verfügung gestellt und so eine Leckage in die Zwischenräume zwischen benachbarten Rippen reduziert.
In einer bevorzugten Ausführung entspricht ein Spalt zwischen einander zugewandten Flanken benachbarter Beschichtungen benachbarter Rippen der Rippenanordnung höchstens einer Axialbreite einer radial äußeren Stirnseite einer der beiden benachbarten Rippen. Als Axialbreite wird vorliegend insbesondere der Abstand zwischen einer in Axialrichtung vorderen und hinteren Kante einer radial äußeren Stirnseite einer Rippe bezeichnet. Durch die bevorzugte Limitierung des Spaltes auf die stirnseitige Axialbreite einer Rippe kann die Leckage in den Zwischenraum zwischen benachbarten Rippen auf ein für den Wirkungsgrad unkritisches Maß gesenkt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung entspricht ein Spalt zwischen einander zugewandten Flanken benachbarter Beschichtungen benachbarter Rippen der Rippenanordnung höchstens 75% und vorzugsweise höchstens 50% einer solchen Axialbreite. Allgemein sind kleinere Spalte zwischen Beschichtungen bevorzugt, wobei ein Spalt vorteilhafterweise ein gewisses Mindestmaß, das insbesondere wenigstens 20% einer Axialbreite einer radial äußeren Stirnseite einer der beiden benachbarten Rippen betragen kann, aufweist, um ein Abplatzen der Beschichtung zu vermeiden.
Die Rippen der Rippenanordnung sind in Umfangsrichtung um einen Winkel geneigt, der ungleich 0° und betragsmäßig kleiner als 10°, insbesondere kleiner 5° und bevorzugt kleiner 3° ist.
In einer bevorzugten Ausführung weisen zwei oder mehrere, insbesondere alle Rippen der Rippenanordnung in radialer Richtung äußere Stirnseiten auf, die, wenigstens im Wesentlichen, auf derselben radialen Höhe liegen. Ausgehend von diesen Stirnseiten erstrecken sich die Rippen in radialer Richtung unterschiedlich tief nach innen, d.h. sind in radialer Richtung unterschiedlich hoch. Dies ermöglicht zum Einen die Ausbildung kleiner Spalte zwischen den Rippen und zum Anderen eine Anpassung an Schaufeln mit variierender radialer Höhe.
Gleichermaßen können in radialer Richtung äußere Stirnseiten von zwei oder mehreren, insbesondere allen Rippen der Rippenanordnung eine unterschiedliche radiale Höhe aufweisen, insbesondere - wenigstens im Wesentlichen - auf einer virtuellen Kegelfläche liegen. Zusätzlich oder alternativ können zwei oder mehr, insbesondere alle Rippen der Rippenanordnung in radialer Richtung unterschiedlich hoch sein.
Die Rippenanordnung ist auf einem Deckband der Laufschaufel angeordnet. Unter einem Deckband wird vorliegend insbesondere ein Flansch verstanden, der sich in Axial- und Umfangsrichtung erstreckt und in bevorzugter Weiterbildung formschlüssig an Deckbändern in Umfangsrichtung benachbarter Schaufeln anliegt. Das Deckband kann in einer bevorzugten Weiterbildung in Axialrichtung schräg sein, um die vorstehend erläuterten Rippen unterschiedlicher Höhe zu tragen.
Die Beschichtung kann mittels eines Verfahrens zum Beschichten einer oder vorzugsweise, insbesondere zeitlich parallel oder nacheinander, mehrerer Rippen einer radial äußeren Rippenanordnung einer Laufschaufel, das insbesondere zur Beschichtung einer Laufschaufel nach dem vorstehend erläuterten Aspekt geeignet ist, erfolgen.
Ein Beschichtungsmaterial kann aus wenigstens zwei gegensinnigen Spritzrichtungen auf die Rippenanordnung aufgespritzt werden, insbesondere plasmagespritzt, flammgespritzt, insbesondere Hochgeschwindigkeits-flammgespritzt, detonationsgespritzt, kaltgasgespritzt, lichtbogengespritzt, und/oder lasergespritzt. Unter einem Plasmaspritzen wird vorliegend insbesondere verstanden, dass, beispielsweise in einem Plasmabrenner, durch eine Spannung ein Lichtbogen zwischen Anode(n) und Kathode(n) erzeugt und Gas oder Gasgemisch durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert wird. Die Dissoziation beziehungsweise anschließende Ionisation erzeugt ein hochaufgeheiztes, elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmajet kann pulverförmiges Beschichtungsmaterial eingedüst werden, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf die zu beschichtende Laufschaufel. Vorzugsweise erfolgt die Plasmabeschichtung in normaler Atmosphäre, inerter Atmosphäre, in Vakuum oder auch unter Wasser.
Durch das Aufspritzen in einer gegen die radiale Richtung geneigten Spritzrichtung kann insbesondere die sich in radialer Richtung nach außen erweiternde Außenkontur dargestellt werden. Dabei wird, vergleichbar den Windverfrachtungen von Schnee in Kammlagen, an den Außenkanten der Laufschaufelstimseite mehr Beschichtungsmaterial aufgebracht, wobei sich durch die Neigung der Spritzrichtung eine entsprechende Projektion des Beschichtungsmaterialstrahls auf die Flanke der Rippe einstellt. Zusätzlich können benachbarte Rippen bzw. Beschichtungen den Beschichtungsmaterialstrahl teilweise abschatten, so dass mit abnehmendem radialen Abstand zur Drehachse weniger Beschichtungsmaterial aufgebracht wird.
Die Spritzrichtungen können gegensinnig, jedoch betragsmäßig gleich, gegen die radiale Richtung geneigt sein, vorzugsweise um einen Spritzwinkel, der betragsmäßig größer als 20°, insbesondere größer als 40°, und/oder kleiner als 70°, insbesondere kleiner als 50° ist. Das Beschichtungsmaterial kann nacheinander oder gleichzeitig aus den beiden Spritzrichtungen aufgespritzt werden.
Eine oder mehrere Beschichtungen können, gleichzeitig oder nacheinander, nach dem Aufspritzen des Beschichtungsmaterials nachbearbeitet werden. Insbesondere kann eine radial äußere Stimfläche der Beschichtungen beispielsweise geschliffen, poliert oder andersartig nachbearbeitet werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

Fig. 1:: das Deckband einer Laufschaufel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht entgegen einer radialen Richtung;
Fig. 2:: einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3 bzw. 4;
Fig. 3:: einen Meridianschnitt einer Gasturbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4:: einen Meridianschnitt einer Gasturbinenstufe nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt einen Meridianschnitt einer Gasturbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Laufschaufel 5, auf deren schrägem Deckband 1 eine Rippenanordnung mit fünf in Axialrichtung hintereinander angeordneten Rippen 2 angeordnet ist. Der Rippenanordnung 2 radial gegenüber ist eine wabenartige Dichtfläche 4 angeordnet. Bei der ansonsten übereinstimmenden Ausführung der Fig. 4 ist anstelle der wabenartigen eine Dichtfläche 4' mit einer oder zwei (strichliert) Gegenrippe(n) vorgesehen.
Fig. 2 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des Deckbands 1 mit der Rippenanordnung. Wie insbesondere hierin zu erkennen, ist auf den radial äußeren Stirnseiten der Rippen 2, die auf derselben radialen Höhe liegen, so dass die Rippen aufgrund des schrägen Deckbandes 1 unterschiedliche Höhen aufweisen, jeweils eine Beschichtung 3 angeordnet.
Diese Beschichtung 3 wird durch sequentielles Plasmaspritzen zunächst in einer ersten Spritzrichtung S₁, und anschließend in einer gegensinnigen bzw. hierzu spiegelsymmetrischen zweiten Spritzrichtung S₂, wie in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet, aufgebracht. Die beiden Spritzrichtungen sind gegen die radiale Richtung R, in der sich die Rippen 2 erstrecken, um einen Winkel β₁ = -β₂ = 45° geneigt.
Hierdurch ergeben sich auf den Rippen 2 Beschichtungen 3, die in dem Meridianschnitt der Fig. 2 eine Außenkontur aufweisen, welche sich in radialer Richtung nach außen erweitert. Mit anderen Worten wächst mit wachsendem radialen Abstand von einer Drehachse der Gasturbine (von unten nach oben in Fig. 2) der axiale Abstand (horizontal in Fig. 2) zwischen Außenflanken 3.1 der Außenkontur einer Beschichtung 3, die Beschichtung wird nach radial außen hin in axialer Richtung breiter. Dementsprechend verringert sich ein Spalt s zwischen den Außenflanken benachbarter Beschichtungen und beträgt radial außen nur noch etwa 75% der Axialbreite b der radial äußeren Stirnseite der breiteren der beiden benachbarten Rippen 2 (links in Fig. 2).
Durch die gegensinnige Überlagerung der beiden Spritzrichtungen S₁, S₂ kann eine im Wesentlichen ebene Stimfläche der Beschichtungen 3 dargestellt werden. Gleichermaßen kann die Beschichtung, insbesondere ihre radial äußere Stirnfläche (oben in Fig. 2) nach dem Aufspritzen nachbearbeitet, insbesondere geschliffen, werden.
Man erkennt insbesondere in der Fig. 2, dass durch die in radialer Richtung nach außen bzw. mit zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse sich verbreiternden Beschichtungen 3 eine weitgehend, insbesondere fluidtechnisch, geschlossene Dichtfläche zur Verfügung gestellt wird, wobei das Gewicht der Rippenanordnung aufgrund der Zwischenräume zwischen den Rippen vorteilhaft gering bleibt.
Wie in Fig. 1 erkennbar, sind die Rippen 2 gegen die Umfangsrichtung U um einen Winkel α geneigt, der im Ausführungsbeispiel 2° beträgt. Zur Verdeutlichung sind in den Figuren die Umfangsrichtung U sowie eine Radialrichtung R angedeutet, wobei Fig. 2 bis 4 jeweils einen Schnitt horizontal zur Zeichenebene der Fig. 1 darstellen können, eine Axialrichtung also in allen Figuren horizontal von links nach rechts verläuft. Die Spritzschicht ist dabei nicht dargestellt.

Bezugszeichenliste

1: Deckband
2: Rippe(nanordnung)
3: Beschichtung
3.1: Außenflanke der Beschichtung/Beschichtungsaußenkontur
4; 4': Dichtfläche
5: Laufschaufel

Claims

Laufschaufel (5) für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit einer radial äußeren, auf einem Deckband (1) der Laufschaufel (5) angeordneten, wenigstens zwei radial nach außen gerichteten Rippen (2) aufweisenden Rippenanordnung, wobei die Rippen (2) in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind und in Umfangsrichtung (U) um einen Winkel (α) ungleich 0°, der betragsmäßig kleiner als 10° ist, geneigt sind, wobei die Rippen (2) an den jeweils beiden axial gegenüberliegenden Seitenflächen sowie an der radial äußeren Stirnseite der Rippen (2), über die die Seitenflächen verbunden sind, eine Beschichtung (3) aufweisen, wobei die Dicke der Beschichtung (3) in einem Schnitt quer zur Rippe (2) auf den beiden radialen Seitenflächen der Rippe (2) mit wachsendem radialen Abstand von der Drehachse der Gasturbine zunimmt.
Laufschaufel (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens zwei benachbarten Rippen (2) jeweils eine Beschichtung (3) angeordnet ist, und wobei ein Spalt (s) zwischen einander zugewandten Flanken (3.1) der benachbarten Beschichtungen (3) höchstens einer Axialbreite (b) einer radial äußeren Stirnseite einer der beiden benachbarten Rippen (2) entspricht.
Laufschaufel (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rippen (2) der Rippenanordnung eine in radialer Richtung (R) äußere Stirnseite aufweisen, die, wenigstens im Wesentlichen, auf derselben radialen Höhe liegt, und, ausgehend von der Stirnseite, in radialer Richtung nach innen unterschiedlich hoch sind.
Laufschaufel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rippen (2) der Rippenanordnung eine in radialer Richtung (R) äußere Stirnseite aufweisen, die auf verschiedenen radialen Höhen liegen, wobei die Rippen (2) in radialer Richtung unterschiedlich hoch sind.
Laufschaufel (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (3) eine größere Härte aufweist als die Rippe (2), auf der sie angeordnet ist.
Turbomaschine mit einer Laufschaufelanordnung mit wenigstens einer Laufschaufel (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.