EP3307989A1 - Gasturbinenschaufel oder verdichterschaufel mit anti-fretting-beschichtung im schaufelfussbereich und rotor - Google Patents

Gasturbinenschaufel oder verdichterschaufel mit anti-fretting-beschichtung im schaufelfussbereich und rotor

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EP3307989A1
EP3307989A1 EP15751016.5A EP15751016A EP3307989A1 EP 3307989 A1 EP3307989 A1 EP 3307989A1 EP 15751016 A EP15751016 A EP 15751016A EP 3307989 A1 EP3307989 A1 EP 3307989A1
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EP
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blade
rotor
polymer coating
compressor
region
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    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3092—Protective layers between blade root and rotor disc surfaces, e.g. anti-friction layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine blade or a
  • Compressor blade which has a polymer coating in the fastening ⁇ tion area and a rotor.
  • a blade is positively connected in the groove area or attachment area with a wheel disc via a corresponding groove.
  • the assembly and disassembly of the blades takes place in the axial groove direction.
  • Blades are loaded during operation both by the centrifugal force as a function of blade weight and the rotor speed and by the aerodynamic forces. These forces must be taken in the contact area between the blade root and Radin-groove, the so-called. Tragflanken Scheme on ⁇ .
  • Coatings used to reduce or prevent "fretting" findings are metallic, eg CuNiln or NiTiCr, for example cold spray spraying, flame spraying and plasma spraying, such as HVOF "High Velocity Oxygen Fuel Spray” or "High Velocity Oxygen Fuel Spray” APS.
  • a disadvantage of the coatings used so far is that the components of the coating as well as the material of the wheel disc are metallic. Thus, similar materials are in contact, which promotes adhesion / cold welding. Sequence ⁇ Lich problems can occur at the assembly / disassembly despite CuNiln coating in the contact region. Moreover, damage to the previously applied coatings can only be repaired with great effort.
  • Compressor blade according to claim 1 and a rotor according to ⁇ demanding. 5
  • Figure 1 is a plan view of a built-turbine or
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of a Turbi ⁇ denominator or compressor blade.
  • FIG. 1 shows a part of a rotor 1 which has a wheel disc 4 with a groove area 13 inside the wheel disc 4, in which 13 a turbine blade 6 or a turbine blade 6
  • Compressor blade 6 is arranged. From the blade 6, a blade root 7 is inserted in the groove region 13.
  • An airfoil 10 of the blade 6 protrudes beyond an outer surface 29 of the wheel disc 4.
  • the blade root 7 Seen in the longitudinal direction 11 of the blade 6, the blade root 7 has a lower region 20, which is slightly convexly curved .
  • a more curved portion 23 which is also curved convex.
  • a support edge region 24 connects, which comes into contact with the wheel disc 4.
  • the supporting flank area 24 is flat.
  • the support flank region 24 is adjoined optionally by a further end region 26, which can be embodied differently and here runs perpendicular to the surface 29 of the wheel disc 4.
  • the support flank region 24, in particular the entire blade root 20, 23, 24, 26, in particular without the end face 30 of the blade root 7, in particular of the compressor blade, is provided with a polymer coating 25.
  • the polymer coating 25 then preferably extends over the entire axial length of the blade root 7.
  • an inner surface 22 of the groove region 13 may have a polymer coating, ie the wheel disc 4. This polymer coating may be present in addition to the polymer coating 25 of the blade 6 or alternatively. It then also preferably extends over the entire axial length of the groove region 13.
  • This coating is preferably based on one or more ⁇ ren fluoropolymers, such as polytetrafluoroethylene (PTFE),
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA Perfluoroalkoxy
  • FEP perfluoroethylene-propylene
  • Polymer coating 25 of the blade 6 or the groove portion 13 are embedded.
  • these coating systems can reduce the energy input by relative movement between the components blade and wheel disc groove and reduce or prevent possible “fretting” and thus also “fretting fatigue”.
  • Polymer-based coating 25 is the use temperature. This allows for compressors, depending on the
  • Supporting flank area 24 are uncoated:
  • Compressor blade 6 shown in three dimensions.
  • the support flank region 24 comes to be damaged, in particular only this region is coated with a polymer 25.
  • the polymer coating 25 preferably extends over the entire axial length of the support flank region 24 and may also include the entire foot region 20, 23, 24, 26.
  • the polymer coating 25 for the blade root 7 or the groove region 13 may be fluoropolymer-based and may also contain in particular one or more solid lubricants.

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Abstract

Durch die Verwendung einer Polymerbeschichtung (25) im Tragflankenbereich (24) werden die Schädigungen minimiert. Überdies wird eine Langzeit-Trennwirkung zwischen den Komponenten, z.B. Laufschaufel und Radscheibe, gewährleistet. Hierbei kann alternativ auch die Radscheiben-Nut ganz oder teilweise beschichtet werden.

Description

Gasturbinenschaufel oder Verdichterschaufel mit Anti- Fretting-Beschichtung im Schaufelfußbereich und Rotor
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel oder eine
Verdichterschaufel, die eine Polymerbeschichtung im Befesti¬ gungsbereich aufweist und ein Rotor.
Im Allgemeinen ist eine Laufschaufel formschlüssig im Nutbe- reich oder Befestigungsbereich mit einer Radscheibe über eine entsprechende Nut verbunden. Die Montage und Demontage der Laufschaufeln erfolgt in axialer Nutrichtung.
Laufschaufeln werden während des Betriebs sowohl durch die Fliehkraft in Abhängigkeit von Laufschaufel-Gewicht und der Rotor-Drehzahl als auch durch die aerodynamischen Kräfte belastet. Diese Kräfte müssen im Kontaktbereich zwischen Schaufelfuß und Radscheiben-Nut, dem sog. Tragflankenbereich, auf¬ genommen werden.
Im Laufe der Lebensdauer des Verdichters können an den Verdichter-Laufschaufelfüßen und Radscheiben-Nuten folgende Schadens-Mechanismen im Bereich der Tragflanken auftreten: „Fretting" und/oder „Fretting Fatigue", sowie lokale Adhäsi- on/Kaltverschweißung und infolgedessen Materialübertrag mit anschließendem „Scoring/Galling" bei der Demontage der Schaufel. Durch die letztgenannten Schadens-Mechanismen kann die Demontage von Laufschaufein erschwert werden, die zu Wartungszwecken notwendig ist.
Diese Schadens-Mechanismen können prinzipiell in Axialverdichtern im Kontaktbereich zwischen Laufschaufel und Radscheiben-Nut auftreten, bei denen die Laufschaufein formschlüssig mit der Radscheibe verbunden sind. Die erwähnten Befunde machen in Abhängigkeit ihres Schweregrads eine Repa¬ ratur bzw. ein Austausch der geschädigten Komponenten notwendig, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Die bisher in der Regel verwendeten Beschichtungen zur Verringerung bzw. Verhinderung von „Fretting" Befunden sind metallisch, z.B. CuNiln oder NiTiCr. Die hierfür verwendeten Verfahren sind beispielsweise das Kaltgasspritzen, Flammspritzen und das Plasmaspritzen, wie HVOF - „High Velocity Oxygen Fuel Spray" oder APS.
Das Wirkprinzip dieser Schichtsysteme hinsichtlich des „Anti- Fretting" basiert im Wesentlichen auf deren Verformbarkeit (geringen Scherfestigkeit) . Somit wird der Energie-Eintrag durch Relativbewegung, durch eine verringerte Reibungszahl, zwischen den Komponenten Laufschaufel und Radscheiben-Nut verringert und mögliches „Fretting" und somit auch „Fretting Fatigue" reduziert.
Ein Nachteil der bisher angewandten Beschichtungen ist, dass die Komponenten der Beschichtung wie auch das Material der Radscheibe metallisch sind. Somit sind ähnliche Materialien im Kontakt, was Adhäsion/Kaltverschweißung begünstigt. Folg¬ lich können trotz CuNiln-Beschichtung im Kontaktbereich Probleme bei der Montage/ Demontage auftreten. Überdies ist eine Beschädigung der bisher angewandten Beschichtungen nur mit großem Aufwand reparierbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genannte Probleme zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinen- oder
Verdichterschaufel gemäß Anspruch 1 und ein Rotor gemäß An¬ spruch 5.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigen:
Figur 1 eine Aufsicht auf eine eingebaute Turbinen- oder
Verdichterschaufel und
Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung einer Turbi¬ nen- oder Verdichterschaufel.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt einen Teil eines Rotors 1, der eine Radscheibe 4 mit einem Nutbereich 13 innerhalb der Radscheibe 4 auf- weist, in dem 13 eine Turbinenschaufel 6 oder eine
Verdichterschaufel 6 angeordnet ist. Von der Schaufel 6 ist ein Schaufelfuß 7 in dem Nutbereich 13 eingebracht.
Ein Schaufelblatt 10 der Schaufel 6 ragt über eine äußere Oberfläche 29 der Radscheibe 4 hinaus.
In Längsrichtung 11 der Schaufel 6 gesehen weist der Schaufelfuß 7 einen unteren Bereich 20 auf, der leicht konvex ge¬ krümmt ist.
An den unteren, eher flach verlaufenden Bereich 20, schließt sich beidseitig ein stärker gekrümmter Bereich 23 auf, der ebenfalls konvex gekrümmt ist. An den stärker gekrümmten Bereich 23 schließt sich ein Tragflankenbereich 24 an, der mit der Radscheibe 4 in Kontakt kommt .
Der Tragflankenbereich 24 ist plan ausgeführt. An den Tragflankenbereich 24 schließt sich optional ein weiterer Endbereich 26 an, der verschieden ausgestaltet werden kann und hier senkrecht zur Oberfläche 29 der Radscheibe 4 verläuft . Der Tragflankenbereich 24, ganz insbesondere der gesamte Schaufelfuß 20, 23, 24, 26, insbesondere ohne die Stirnseite 30 des Schaufelfusses 7, insbesondere von Verdichter- Laufschaufein, wird mit einer Polymerbeschichtung 25 versehen .
Die Polymerbeschichtung 25 erstreckt sich dann vorzugweise über die gesamte axiale Länge des Schaufelfußes 7.
Ebenso kann eine innere Oberfläche 22 des Nutbereichs 13 eine Polymerbeschichtung aufweisen, also die Radscheibe 4. Diese Polymerbeschichtung kann zusätzlich zur Polymerbeschichtung 25 der Schaufel 6 oder alternativ vorhanden sein. Sie er- streckt sich dann auch vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Nutbereichs 13.
Diese Beschichtung basiert vorzugsweise auf einem oder mehre¬ ren Fluorpolymeren, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) ,
Perfluoralkoxy (PFA) , Perfluorethylenpropylen (FEP) .
Ebenso vorzugsweise können weiterhin ein oder mehrere Fest¬ schmierstoffe vorhanden sein, die in der Matrix der
Polymerbeschichtung 25 der Schaufel 6 oder des Nutbereichs 13 eingelagert sind.
Im Tragflankenbereich 24 von Laufschaufein 6 können diese Be- schichtungssysteme den Energie-Eintrag durch Relativbewegung zwischen den Komponenten Laufschaufel und Radscheiben-Nut verringern und mögliches „Fretting" und somit auch „Fretting Fatigue" reduzieren bzw. verhindern.
Überdies verhindern sie, aufgrund unterschiedlicher Material¬ klassen (Beschichtung: Polymer, Radscheibe: Metall bzw.
Stahl) und der optional in der Polymerbeschichtung eingelagerten Festschmierstoffe, Adhäsion/ Kaltverschweißung im Tragflankenbereich von Schaufelfuß und Radscheibennut. Somit ist eine einfache Montage/Demontage der Laufschaufein 6 ge- währleistet. Im Gegensatz zu den bei der Montage/Demontage eingesetzten Schmiermitteln ist eine Langzeit-Trennwirkung gewährleistet. Weiterhin ist eine Reparatur/Aufarbeitung betriebsbeanspruchter, im Fußbereich 7 beschichteter Schaufeln 6 ohne größeren Zusatzaufwand vor Ort möglich.
Der limitierende Faktor für die vorgeschlagene
polymerbasierte Beschichtung 25 ist die Einsatztemperatur. Dies erlaubt bei Verdichtern, in Abhängigkeit der
Verdichterkenngrößen, ggf. nur die Anwendung in vorderen
Verdichterstufen und bei Turbinen in Abhängigkeit der Turbinenkenngrößen nur die Anwendung in hinteren Turbinenstufen. Eine Erweiterung des Anwendungsgebietes durch Erhöhung der Einsatztemperatur könnte durch zukünftige Entwicklungen er- reicht werden.
Die erfinderische Tätigkeit liegt in der Anwendung
polymerbasierten Beschichtungssysteme im Bereich der Verdichter-Laufschaufeln 6, um zum einen „Fretting" und „Fretting Fatigue" zu verringern bzw. zu verhindern und zum anderen Ad- häsion/Kaltverschweißung über die gesamte Lebensdauer zu verhindern und somit folgende Sekundärschäden bei der Demontage zu verhindern. Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik wird eine Langzeit-Trennwirkung zwischen Laufschaufel 6 und Radscheiben-Nut 13 im Tragflankenbereich 24 ermöglicht sowie das Tragverhalten verbessert.
Es ergeben sich folgende Vorteile aus der beschriebenen Erfindung gegenüber der bisher verwendeten Laufschaufel- Beschichtung im Fußbereich 7 bzw. gegenüber Verdichter- Laufschaufein 6, die im Bereich des Schaufelfußes 7 bzw.
Tragflankenbereich 24 unbeschichtet sind:
- Langzeit-Trennwirkung der Komponenten Schaufeln 6 und Rad- Scheibe 4 im Nutbereich 13 und somit Verhinderung von Adhäsion/ Kaltverschweißung (während Montage, Betrieb und Demonta¬ ge) sowie „Fretting" und „Fretting Fatigue" im Tragflankenbe- reich (während des Betriebs) ; die Montage/Demontage wird durch die Beschichtung erleichtert
- Gleichmäßiger verteilte Druckspannung im Tragflankenbereich 24, d.h. Verringerung lokaler Spannungskonzentrationen, in- folge eines niedrigeren E-Moduls der polymerbasierten Beschichtung im Vergleich zum Grundmaterial (Stahl)
- Kostengünstigeres Beschichtungsmaterial 25 im Vergleich zu CuNiln und ähnlichen Beschichtungssystemen
- Kostengünstigeres Applikationsverfahren, z.B. mittels La- ckier-Spritzpistole („airbrush" ) , im Vergleich zu Plasma- Flammspritzen für z.B. CuNiln und ähnlichen Beschichtungssys- teme
- Aufarbeitung betriebsbeanspruchter Schaufeln 6 ohne Zusatzaufwand vor Ort möglich
- Verbessertes Dämpfungsverhalten (in Abhängigkeit der Be¬ schichtungsdicke)
- Zusätzlicher passiver Korrosionsschutz der Laufschaufel 6 im beschichteten Zustand.
- Gegebenenfalls kann auf zusätzliches Schmiermittel während der Montage verzichtet werden.
In Figur 2 ist eine Turbinenschaufel 6 oder
Verdichterschaufel 6 dreidimensional dargestellt.
Da insbesondere, wie oben beschrieben, der Tragflankenbereich 24 zur Schädigung kommt, ist insbesondere nur dieser Bereich mit einem Polymer 25 beschichtet.
Die Polymerbeschichtung 25 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Tragflankenbereichs 24 und kann auch den gesamten Fußbereich 20, 23, 24, 26 umfassen.
Die Polymerbeschichtung 25 für den Schaufelfuß 7 oder den Nutbereich 13 kann fluorpolymerbasiert sein und auch insbe- sondere ein oder mehrere Festschmierstoffe enthalten.

Claims

Patentansprüche
Gasturbinenschaufel (6) oder Verdichterschaufel (6), die am Schaufelfuß (7) zumindest einen,
insbesondere zwei,
Tragflankenbereiche (24) aufweist,
wobei zumindest ein Tragflankenbereich (24) zumindest teilweise,
insbesondere vollständig,
eine Polymerbeschichtung (25) aufweist.
Schaufel nach Anspruch 1,
bei dem nur der Tragflankenbereich (24),
insbesondere nur beide Tragflankenbereiche
eine Polymerbeschichtung (25) aufweisen.
Schaufel nach Anspruch 1,
bei dem die Polymerbeschichtung (25) auf dem gesamten Schaufelfußbereich (20, 23, 24, 26) vorhanden ist, insbesondere nicht auf einer Stirnseite (30) des Schau¬ felfußes (7) .
Schaufel nach einen oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem sich die Polymerbeschichtung (25) über die gesamte axiale Länge des Tragflankenbereichs (24) oder des Schaufelfußbereichs (20, 23, 24, 26) erstreckt.
5. Rotor (1) mit einer Radscheibe (4) und Turbinen- oder Verdichterschaufel (6),
wobei der Rotor (1) eine Polymerbeschichtung im Nutbereich (13) der Radscheibe (4) oder der Turbinenschaufel (6) oder Verdichterschaufel (6) aufweist.
6. Rotor nach Anspruch 5,
der eine Turbinenschaufel (6) oder Verdichterschaufel (6) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
7. Rotor nach einem oder beiden der Ansprüche 5 oder 6, bei dem auf dem Nutbereich (13) der Radscheibe (4) eine Polymerbeschichtung vorhanden ist.
8. Rotor nach Anspruch 5 oder 7,
bei dem eine Polymerbeschichtung nur im Nutbereich (13) nur auf der Radscheibe (4) vorhanden ist.
9. Schaufel oder Rotor nach einem oder mehreren Ansprüche 1 bis 8 ,
bei dem das Polymer ein Fluorpolymer darstellt.
10. Schaufel oder Rotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Polymerbeschichtung auf der Schaufel (6) oder im Nutbreich (13) ein oder mehrere Festschmierstof¬ fe enthält.
11. Rotor nach einen oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, bei dem sich die Polymerbeschichtung über die gesamte axiale Länge des Nutbereichs (13) erstreckt.
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