EP3307989B1 - Gasturbinenschaufel oder verdichterschaufel mit anti-fretting-beschichtung im schaufelfussbereich und rotor - Google Patents

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

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EP3307989B1
EP3307989B1 EP15751016.5A EP15751016A EP3307989B1 EP 3307989 B1 EP3307989 B1 EP 3307989B1 EP 15751016 A EP15751016 A EP 15751016A EP 3307989 B1 EP3307989 B1 EP 3307989B1
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    • F01D5/3092—Protective layers between blade root and rotor disc surfaces, e.g. anti-friction layers
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    • 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 area, and a rotor.
  • a rotor blade is positively connected in the groove area or fastening area to a wheel disk via a corresponding groove.
  • the rotor blades are assembled and disassembled in the axial direction of the groove.
  • rotor blades are loaded both by the centrifugal force, depending on the blade weight and the rotor speed, and by the aerodynamic forces. These forces have to be absorbed in the contact area between the blade root and the wheel disk groove, the so-called wing area.
  • the following damage mechanisms can occur on the compressor blade roots and wheel disk grooves in the area of the wing flanks: "Fretting” and / or “Fretting Fatigue”, as well as local adhesion / cold welding and as a result material transfer with subsequent "Scoring / Galling "while dismantling the shovel.
  • the last-mentioned damage mechanisms can make it difficult to dismantle rotor blades, which is necessary for maintenance purposes.
  • the coatings that have hitherto generally been used to reduce or prevent "fretting" findings are metallic, e.g. CuNiIn or NiTiCr.
  • the methods used for this are, for example, cold gas spraying, flame spraying and plasma spraying, such as HVOF - "High Velocity Oxygen Fuel Spray” or APS.
  • U.S. 4,790,723 discloses, for example, a gas turbine blade that has at least one airfoil area with a polymer coating at the blade root.
  • the object is achieved by a turbine or compressor blade according to claim 1 and a rotor according to claim 3.
  • Figure 1 shows part of a rotor 1 which has a wheel disk 4 with a groove area 13 within the wheel disk 4, in which 13 a turbine blade 6 or a compressor blade 6 is arranged. A blade root 7 of the blade 6 is introduced in the groove area 13.
  • a blade 10 of the blade 6 protrudes beyond an outer surface 29 of the wheel disk 4.
  • the blade root 7 has a lower region 20 which is slightly convexly curved.
  • the more strongly curved area 23 is followed by a supporting flank area 24 which comes into contact with the wheel disk 4.
  • the wing area 24 is designed to be flat.
  • the supporting flank area 24 is optionally followed by a further end area 26, which can be configured in various ways and here runs perpendicular to the surface 29 of the wheel disk 4.
  • the polymer coating 25 then preferably extends over the entire axial length of the blade root 7.
  • An inner surface 22 of the groove area 13 can also have a polymer coating, that is to say the wheel disk 4. This polymer coating can be present in addition to the polymer coating 25 of the blade 6. It then also preferably extends over the entire axial length of the groove area 13.
  • This coating is preferably based on one or more fluoropolymers, e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxy (PFA), perfluoroethylene propylene (FEP).
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • PFA perfluoroalkoxy
  • FEP perfluoroethylene propylene
  • one or more solid lubricants can also preferably be present, which are embedded in the matrix of the polymer coating 25 of the blade 6 or of the groove area 13.
  • these coating systems can reduce the energy input through relative movement between the components rotor blade and wheel disk groove and reduce or prevent possible “fretting” and thus also "fretting fatigue”.
  • the limiting factor for the proposed polymer-based coating 25 is the use temperature. In the case of compressors, depending on the compressor parameters, this allows only the use in the front compressor stages and, in the case of turbines, depending on the turbine parameters, only the use in the rear turbine stages. An expansion of the area of application by increasing the operating temperature could be achieved through future developments.
  • the inventive activity lies in the application of polymer-based coating systems in the area of the compressor rotor blades 6, on the one hand to reduce or prevent “fretting” and “fretting fatigue” and, on the other hand, to prevent adhesion / cold welding over the entire service life and thus the following secondary damage to prevent during dismantling.
  • a long-term separating effect between the rotor blade 6 and the wheel disk groove 13 in the wing flank area 24 is made possible and the bearing behavior is improved.
  • FIG 2 a turbine blade 6 or compressor blade 6 is shown three-dimensionally. Since in particular, as described above, the wing area 24 is damaged, only this area is coated with a polymer 25.
  • the polymer coating 25 preferably extends over the entire axial length of the supporting flank region 24 and can also encompass the entire foot region 20, 23, 24, 26.
  • the polymer coating 25 for the blade root 7 or the groove area 13 can be fluoropolymer-based and also in particular contain one or more solid lubricants.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel oder eine Verdichterschaufel, die eine Polymerbeschichtung im Befestigungsbereich aufweist und ein Rotor.
  • Im Allgemeinen ist eine Laufschaufel formschlüssig im Nutbereich 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, aufgenommen 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 Adhäsion/Kaltverschweißung und infolgedessen Materialübertrag mit anschließendem "Scoring/Galling" bei der Demontage der Schaufel. Durch die letztgenannten Schadens-Mechanismen kann die Demontage von Laufschaufeln 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 Laufschaufeln formschlüssig mit der Radscheibe verbunden sind. Die erwähnten Befunde machen in Abhängigkeit ihres Schweregrads eine Reparatur 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. CuNiIn 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. Folglich können trotz CuNiIn-Beschichtung im Kontaktbereich Probleme bei der Montage/ Demontage auftreten. Überdies ist eine Beschädigung der bisher angewandten Beschichtungen nur mit großem Aufwand reparierbar. US 4 790 723 offenbart, zum Beispiel, eine Gasturbinenschaufel, die am Schaufelfuß zumindest einen Tragflankenbereich mit einer Polymerbeschichtung aufweist.
  • 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 Anspruch 3.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Aufsicht auf eine eingebaute Turbinen- oder Verdichterschaufel und
    Figur 2
    eine dreidimensionale Darstellung einer Turbinen- oder Verdichterschaufel.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Figur 1 zeigt einen Teil eines Rotors 1, der eine Radscheibe 4 mit einem Nutbereich 13 innerhalb der Radscheibe 4 aufweist, 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 gekrümmt 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.
  • Nur die Tragflankenbereiche 24, insbesondere von Verdichter-Laufschaufeln, werden 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 vorhanden sein. Sie erstreckt sich dann auch vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Nutbereichs 13.
  • Diese Beschichtung basiert vorzugsweise auf einem oder mehreren Fluorpolymeren, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxy (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP).
  • Ebenso vorzugsweise können weiterhin ein oder mehrere Festschmierstoffe vorhanden sein, die in der Matrix der Polymerbeschichtung 25 der Schaufel 6 oder des Nutbereichs 13 eingelagert sind.
  • Im Tragflankenbereich 24 von Laufschaufeln 6 können diese Beschichtungssysteme 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 Materialklassen (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 Laufschaufeln 6 gewährleistet. 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 erreicht 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 Adhäsion/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-Laufschaufeln 6, die im Bereich des Schaufelfußes 7 bzw. Tragflankenbereich 24 unbeschichtet sind:
    • Langzeit-Trennwirkung der Komponenten Schaufeln 6 und Radscheibe 4 im Nutbereich 13 und somit Verhinderung von Adhäsion/ Kaltverschweißung (während Montage, Betrieb und Demontage) sowie "Fretting" und "Fretting Fatigue" im Tragflankenbereich (während des Betriebs); die Montage/Demontage wird durch die Beschichtung erleichtert
    • Gleichmäßiger verteilte Druckspannung im Tragflankenbereich 24, d.h. Verringerung lokaler Spannungskonzentrationen, infolge eines niedrigeren E-Moduls der polymerbasierten Beschichtung im Vergleich zum Grundmaterial (Stahl)
    • Kostengünstigeres Beschichtungsmaterial 25 im Vergleich zu CuNiIn und ähnlichen Beschichtungssystemen
    • Kostengünstigeres Applikationsverfahren, z.B. mittels Lackier-Spritzpistole ("airbrush"), im Vergleich zu Plasma-Flammspritzen für z.B. CuNiIn und ähnlichen Beschichtungssysteme
    • Aufarbeitung betriebsbeanspruchter Schaufeln 6 ohne Zusatzaufwand vor Ort möglich
    • Verbessertes Dämpfungsverhalten (in Abhängigkeit der Beschichtungsdicke)
    • 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 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 insbesondere ein oder mehrere Festschmierstoffe enthalten.

Claims (8)

  1. Gasturbinenschaufel (6) oder Verdichterschaufel (6), die am Schaufelfuß (7) zwei Tragflankenbereiche (24) aufweist,
    wobei nur beide Tragflankenbereiche (24) zumindest teilweise eine Polymerbeschichtung (25) aufweisen.
  2. Schaufel nach Anspruch 1,
    bei dem sich die Polymerbeschichtung (25) über die gesamte axiale Länge des Tragflankenbereichs (24) oder des Schaufelfußbereichs (20, 23, 24, 26) erstreckt.
  3. Rotor der eine Turbinenschaufel (6) oder Verdichterschaufel (6) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis und eine Radscheibe (4) aufweist.
  4. Rotor nach Anspruch 3, bei dem auf dem Nutbereich (13) der Radscheibe (4) eine Polymerbeschichtung vorhanden ist.
  5. Rotor nach Anspruch 4,
    bei dem die Radscheibe (4) mit einer Polymerbeschichtung nur im Nutbereich (13) vorgesehen ist.
  6. Schaufel oder Rotor nach einem oder mehreren Ansprüche 1 bis 5,
    bei dem das Polymer ein Fluorpolymer darstellt.
  7. Schaufel oder Rotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem die Polymerbeschichtung auf der Schaufel (6) oder im Nutbereich (13) ein oder mehrere Festschmierstoffe enthält.
  8. Rotor nach einen oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, bei dem sich die Polymerbeschichtung über die gesamte axiale Länge des Nutbereichs (13) erstreckt.
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