WO2004090290A2 - Laufschaufeln mit unterschiedlicher länge und abrasiven schichten - Google Patents

Laufschaufeln mit unterschiedlicher länge und abrasiven schichten Download PDF

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WO2004090290A2
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abrasive
abrasive layer
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rotor
blades
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Johnson Nicolas Campino
Matthias Hoebel
Jonas Hurter
Christoph Niederberger
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Alstom Technology Ltd
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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
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position

Definitions

  • the invention is based on a thermal turbomachine having a rotor, a stator, an abradable layer located on the stator and at least one row of rotor blades which are arranged around the circumference of the rotor opposite the stator.
  • the guide and rotor blades of gas turbines or compressors are exposed to heavy loads.
  • the rotor blade of the turbomachine is fitted to the stator in such a way that rubbing occurs.
  • a honeycomb structure is attached to the stator of the gas turbine or the compressor, opposite the rotor blade.
  • a compressor with such a honeycomb structure is known for example from US-A-5,520,508. The blades of the compressor work their way into this structure, so that there is a minimal sealing gap between the blades and the honeycomb structure.
  • the honeycomb structure consists of a heat-resistant metal alloy. It is composed of several sheet metal strips, which are bent according to the later shape.
  • the blade tips which are inserted into such an abradable structure, are usually provided with an abrasive layer in order to prevent or at least minimize wear or shortening of the rotor blade.
  • an abrasive layer in order to prevent or at least minimize wear or shortening of the rotor blade.
  • US-A-5,704,759, US-A-4,589,823 and US-A-5,603,603 disclose tur- Bin scoops, which are equipped with abrasive materials at the tip of the scoop.
  • US-B1-6,194,086 discloses an abrasive protective layer in which cubic bomitrides embedded in a matrix are applied to a turbine blade by means of a plasma spray process.
  • abrasive layers with very good cutting properties have a very short lifespan of up to just a few hours.
  • the base material of the blading is usually only suitable to a limited extent in order to work unprotected into the coating on the stator, since this can melt during the rubbing process and can deposit or smear on the stator side. If the blade material has become so deposited, the grinding system is disrupted and the blades are shortened during the rub-in process.
  • approx. 80% of the rub-in depth which results from the rotor blading in the abradable layer of the stator, is achieved in the first hours after a new start-up by the rub-in procedure. After completing the rub-in procedure, the blading on the stator is very rarely streaked and then only with shallow penetration depths.
  • the invention has for its object to provide a thermal turbomachine in which the blades aggressively insert into the stator material with a considerable depth of penetration during commissioning and the rub-in procedure. cut, while the blades then only cut or rub in to a small extent in commercial operation in a long operational phase. This is to ensure that the abrasive material survives less contact with the stator without damage during this time.
  • a first embodiment of the present invention is to provide a number of first rotor blades that are only coated with a first aggressively cutting, abrasive layer.
  • the blades, which are equipped with the first abrasive layer, are longer than all other blades and are therefore the only ones that have to do cutting work when they come into contact with the stator.
  • blades which have only a second, thermally more stable abrasive layer, are distributed over the circumference of the rotor. These blades have a shorter radial length than the first blades, which are equipped with the first abrasive layer, and a greater radial length than unarmored blades. The much larger number of blades, which are distributed over the circumference of the rotor, do not have an abrasive layer. However, these rotor blades are protected by the rotor blades with an abrasive layer to such an extent that an unarmored rotor blade does not come into contact with the stator.
  • first blades with two, a second abrasive and a first abrasive layer on the blade tip.
  • the top abrasive layer is aggressive, but has only a low thermal stability.
  • the lower abrasive layer which appears after the upper abrasive layer wears out, is now less aggressive in its cutting behavior, but thermally much more stable.
  • the blades, which are provided with the first abrasive layer are longer than all other blades and are therefore the only ones that have to do cutting work when they come into contact with the stator. Thus, only the abrasive layer is in contact with the stator during the commissioning of the thermal turbomachine and the associated rub-in procedure.
  • the abrasive layers preferably consist of very hard cubic boron nitrides with a titanium coating, which are embedded in a matrix of filler material.
  • the matrix in which the particles are embedded consists of relatively ductile, well-wetting material.
  • the advantage of these coatings is the combination of the aggressive cutting behavior generated by the hard materials with the toughness gained by the ductile matrix. With the good wetting between the titanium coating and compatible filler, this results in a system that can withstand the strong mechanical loads during the rub-in process.
  • Either a steel alloy similar to the base material or a nickel material with small additions of Bi and S is used as the filler in the coating of compressor blades. Suitable components based on nickel or cobalt can also be used for components from the turbine stage with higher temperatures.
  • FIG. 1 shows a turbine blade according to the invention with an abrasive protective layer at the tip
  • FIG. 2 shows a rotor of a turbomachine according to the invention with a number of moving blades which are arranged opposite a stator
  • FIG. 4 shows a device for coating a turbine blade
  • FIG. 5 shows a control system for the device of FIGS. 4 and 6 shows a compressor blade tip with an abrasive protective layer which is realized by the invention
  • FIG. 7 shows the micrograph of an abrasive coating.
  • the rotor blade 1 shows a rotor blade 1 of a gas turbine, a compressor or another thermal turbomachine.
  • the rotor blade 1 consists of an airfoil 4 with a blade tip 2 and a blade root 3, with which the rotor blade 1 is mounted on a rotor 9.
  • a platform 5 is usually arranged between the airfoil 4 and the airfoil 3, which platform shields the airfoil 3 and thus the rotor 9 from the fluids flowing around the airfoil 4.
  • the blade 1 can be covered with a protective layer 6 made of MCrAIY and additional ceramic material (TBC).
  • An abrasive protective layer 7 is arranged at the tip of this rotor blade 1.
  • Fig. 2 shows a section of a blade row of the thermal turbomachine.
  • the blades 1 are attached to the rotor 9 and arranged opposite the stator 8. According to the invention, a small number of rotor blades 1 of a rotor blade row arranged over the circumference of the rotor 9 are equipped with two different abrasive layers 7 1, 7 2 on the blade tip 2.
  • the top abrasive layer 7 2 with the height x 2 is aggressively outgoing, but has only a low thermal stability.
  • the lower abrasive layer 7 ⁇ with the height xi which appears after wear of the upper abrasive layer 7 2 , is now less aggressive in the cutting behavior, but is, however, much more thermally stable.
  • the qualitative relationship between the quality of the cutting ability Q and the thermal resistance T of the abrasive layers 7 ⁇ , 7 2 is shown schematically in FIG. 3.
  • the blades 1, which are provided with the abrasive layer 7 2 are longer than all other blades 1 and thus the only ones that have to do cutting work when they come into contact with the stator 8.
  • the blades 1, which are provided with the abrasive layer 7 2 are longer than all other blades 1 and thus the only ones that have to do cutting work when they come into contact with the stator 8.
  • only the abrasive layer 7 2 is in contact with the stator 8 during a (new) start-up of the thermal turbomachine and the associated rub-in procedure.
  • this upper, aggressively cutting, but thermally less stable abrasive layer 7 2 wears out.
  • only the lower abrasive layer 7 is in contact with the stator 8 in the following commercial phase of the turbomachine.
  • a simple variant of the present invention consists in using moving blades 1 with three different lengths in one row of blades.
  • a number of first rotor blades 1 are only coated with a first aggressively cutting, abrasive layer 7 2 .
  • the blades 1, which are equipped with the first abrasive layer 7 2 are longer than all other blades 1 and thus the only ones that have to do cutting work when they come into contact with the stator 8.
  • additional blades 1 which exclusively have a lower abrasive layer 7, which have less good cutting properties, but have substantially greater thermal stability, are distributed over the circumference of the rotor 9. As shown in FIG. 2, these blades 1 have a shorter radial length than the first blades 1, which are equipped with the first or upper abrasive layer 7 2 , and a greater radial length than non-armored blades 1.
  • FIGS. 4 and 5 schematically show a device and a method for applying an abrasive layer 7 ⁇ , 7 2 to the tip of a blade 1.
  • Such a method is known for example from DE-C1-198 53 733.
  • the first abrasive layer 7 2 preferably consists of very hard cubic boron nitride (cBN), while the second abrasive layer 7 2 consists of carbides, in particular chromium carbides, each of which is embedded in a matrix of filler material.
  • the matrix in which the particles are embedded consists of relatively ductile, well-wetting material and the wetting of the abrasive particles can be increased by a titanium or nickel coating.
  • the advantage of these coatings is the combination of the aggressive cutting behavior generated by the hard materials with the toughness gained through the ductile matrix. With the good wetting between the titanium coating and compatible filler, this results in a system that can withstand the strong mechanical loads during the rub-in process.
  • Fig. 4 shows a general example of a device for applying a coating 17, which corresponds to the abrasive layer 7 ⁇ , 7 2 , on the blade tip 2 of a moving blade 1.
  • a laser beam 11 is moved over the surface 10 of the moving blade 1 (or the moving blade 1 becomes relative to the laser beam 11), the surface 10 being locally melted.
  • a melt pool 12 is thereby formed.
  • powdery material 13 and a carrier gas 14 are fed to the melt pool 12 by means of a feed nozzle 15 and a nozzle 15a in the form of a jet.
  • the powdery material can be a suitable mixture of abrasive hard material and binder material.
  • An optical signal 18 is continuously recorded by the melt pool 12 and used as properties of the melt pool 12 for determining the temperature, the temperature fluctuations and gradients.
  • the present method is also suitable for the coating of three-dimensional objects.
  • the powder 13 is added to the melt pool 12 concentrically with respect to the cone of the optical signals 18 detected by the melt pool 12.
  • FIG. 5 shows an entire controller 21 for the device of FIG. 4.
  • the information of the optical signal 18 is used in a closed control loop in the controller 21 to process parameters such as laser power, the relative speed between the laser beam 11 and the coating component, the volume flow of the carrier gas 14, the mass flow of the injected powder 13, the distance between the nozzle 15a and the rotor blade 1 and adjust the angle between the nozzle 15a and the blade 1.
  • a regulator 24 is used to regulate the laser power, and a regulator 23 within the regulator 21 is used to regulate the feed nozzle 15.
  • the molten pool 12 then solidifies as a coating.
  • the automatic regulation of the laser power by the controller 21 makes it possible to set a temperature field which is advantageous for achieving the desired microstructure of the coating 17.
  • the optical signal 18 can be used to avoid Marangoni convection in the melt pool 12. This minimizes the risk of defects forming during the solidification of the molten material.
  • High-power lasers such as C0 2 , fiber-coupled Nd-YAG or diode lasers are particularly suitable as an energy source.
  • the laser radiation can be focused on small spots and changed, which allows a very precise control of the energy input into the base material.
  • the controller 24 for the laser power is decoupled from the main process controller 22. This enables the data to be processed faster in real time.
  • the present method uses a concentric feed nozzle 15, a laser 11 and an online monitoring system with real-time process control. With the help of this online monitoring system, optimal process parameters can be set in order to obtain a desired microstructure of the coating 17.
  • the method combines the laser beam and material supply and the monitoring system in a common head.
  • a dichroic mirror 19 the infrared (IR) radiation from the molten pool 12 can be recorded by the same optics that are used for the laser beam.
  • the dichroic mirror 19 transmits the laser beam 11 to the melt pool 12 and is at the same time permeable to the optical signal 18 from the melt pool 12.
  • the optical signal 18 is transmitted from the melt pool 12 to a pyrometer 20 or another detector in order to carry out the online determination of the temperature of the melt pool 12.
  • the optical properties of the monitoring system are selected such that the measurement spot is smaller than the weld pool 12 and is located in the middle of the weld pool.
  • FIG. 6 shows an example of a coated compressor blade tip which was implemented by the described method. It can be seen that the coated component is a thin-walled structure that would deform if excessive heat was introduced, which would result in unacceptable tolerances. This is avoided by the locally very limited action of the laser and the exact power control and the dimensions of the component are changed only minimally.
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through an abrasively coated compressor blade tip.
  • the base material of the blade consists of austenitic steel and the approximately 300 ⁇ m thick coating was created by a mixture of Ti-coated cBN hard material particles and NiBSi binder material. In this case, it is an example in which only a single coating was applied.
  • the cBN hard material particles can be recognized as blocky structures in the upper half of the coating. They are completely encased in binder material, which demonstrates the good wetting of the hard material particles.
  • Fig. 7 shows that with good process control, e.g. by the controller already described in FIG. 5, a crack and pore-free structure with excellent connection to the base material can be realized.
  • the optical signal 18 used for power control is generated from the center and edge areas of the fusible zone by means of a fiber-optic image guide or a CCD camera. of the recorded.
  • the CCD camera used as a detector is equipped with suitable optical filters. This information is then used to determine the temperature at one or at several points in the center or edge region of the melting bath 12.
  • the cone of the detected optical signal 18 can be arranged concentrically to the focused laser beam. This symmetrical arrangement guarantees that the interaction processes between laser and powder 13 are identical for all directions of movement. This is particularly advantageous when machining complex-shaped components, since the constant interaction processes ensure consistently good machining quality.
  • the optical signal 18 emitted by the melt pool 12 is used for quality control: the analysis of the measured values made it possible to optimize the process parameters in such a way that a desired microstructure of the coating results.
  • the signals can also be recorded for documentation purposes and to ensure consistently good product quality.
  • Customized, commercially available software tools eg LabView RT
  • software tools eg LabView RT
  • control times of ⁇ 10ms are possible.
  • complex PID regulations can be implemented for the control system with parameters that are specifically tailored to the respective temperature range.

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Abstract

Es ist eine thermische Turbomaschine mit mindestens einer Reihe von Laufschaufeln (1) offenbart. Mindestens eine erste Laufschaufel (1) weist eine grössere radiale Länge als die anderen auf und ist an der Schaufeispitze (2) mit einer ersten abrasiven Schichten (72) ausgestattet. Mindestens eine Laufschaufel (1), welche eine kleinere radiale Länge als die erste Laufschaufel (1) aufweist, ist an der Schaufelspee (2) mit einer zweiten abrasiven Schichten (71) ausgestattet. Die erste abrasive Schichten (72) weist eine bessere Schneidfähigkeit und eine geringere thermische Stabiltät auf, als die zweite abrasive Schicht (71). Die erste abrasive Schicht (72) ist während der Iribetriebnahme der thermischen Turbomaschine mit der abbreibaren Schicht des Stators (8) in Kontakt und die zweite abrasive Schicht (71) ist während des kontinuierlichen Betriebs der thermischen Tu rbomaschine mit der abbreibaren Schicht des Stators (8) in Kontakt.

Description

THERMISCHE TURBOMASCHINE
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung geht von einer thermische Turbomaschine mit einem Rotor, einem Stator, einer sich am Stator befindenden abreibbaren Schicht und mindestens einer Reihe von Laufschaufeln, die um den Umfang des Rotors dem Stator gegenüberliegend angeordnet sind, aus.
STAND DER TECHNIK
Die Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen oder Verdichtern sind starken Belastungen ausgesetzt. Um die Leckageverluste der thermischen Turbomaschine klein zu halten, wird die Laufschaufel der Strömungsmaschine derart zum Stator eingepasst, so dass es zum Anstreifen kommt. An dem Stator der Gasturbine oder des Verdichters, der Laufschaufel gegenüberliegend, ist eine Honigwabenstrukur angebracht. Ein Verdichter mit einer solchen Honigwabenstruktur ist beispielsweise aus US-A-5,520,508 bekannt. Die Laufschaufeln des Verdichters arbeiten sich in diese Struktur ein, so dass sich ein minimaler Dichtspalt zwischen den Laufschaufeln und der Hoπigwabenstruktur einstellt. Die Honigwabenstruktur besteht aus einer warmfesteπ Metallegierung. Sie setzt sich aus mehreren Blechstreifen zusammen, welche der späteren Form entsprechend gebogen sind.
Die Schaufelspitzen, welche sich in eine solche abreibbare Struktureinreibeπ, sind meist mit einer abrasiven Schicht versehen, um den Verschleiss bzw. eine Verkürzung der Laufschaufel zu verhindern oder zumindest zu minimieren. US-A- 5,704,759, US-A-4,589,823 und US-A-5,603,603 offenbarten beispielsweise Tur- binenschaufeln, welche an den Schaufelspitzen mit abrasiven Materialien ausgestattet sind.
Weiter offenbart US-B1-6,194,086 eine abrasive Schutzschicht, in der kubische Bomitride eingebettet in eine Matrix mittels eines Plasmasprayverfahrens auf eine Turbinenschaufel aufgetragen wird.
Es hat sich gezeigt, dass abrasive Schichten mit sehr guten Schneideigenschaften eine nur sehr geringe Lebensdauer von bis hin zu nur wenigen Stunden ha- ben. Das Basismaterial der Beschaufelung ist jedoch für gewöhnlich nur sehr bedingt geeignet, um sich ungeschützt in die Beschichtung am Stator einzuarbeiten, da dieses beim Reibvorgang aufschmelzen und sich statorseitig ablagern bzw. aufschmieren kann. Wenn es zu einer solchen Ablagerung des Schaufelmaterials gekommen ist, ist das sich einschleifende System gestört und die Schaufeln wer- den beim Einreibvorgaπg verkürzt. Bei industriellen Gasturbinen werden ca. 80% der Einreibtiefe, die sich durch die Rotorbeschaufelung in der abreibbaren Schicht des Stators ergibt, in den ersten Stunden nach einer Neu-Inbetriebnahme durch die Einreibprozedur erreicht. Nach Vollendung der Einreibprozedur kommt es nur noch sehr selten zum Streifen der Beschaufelung am Stator und dann nur mit geringen Eindringtiefen.
Aus diesem Grunde ist es aus US-A-4,671,735 bzw. DE-A1-34 01 742 bekannt, am Rotor einzelne am Umfang verteilte Schaufeln anzuordnen, die an ihrem, dem Gehäuse zugeordneten Endbereich deckbandartig ausgebildet sind und deren deckbandartiger Schaufelendbereich eine radial aussenliegende verschleissfeste Schicht trägt. Die Schicht ist aus der Gruppe der Hartstoffe ausgewählt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Turbomaschine zu schaffen, bei der während der Inbetriebnahme und der Einreibprozedur die Laufschaufeln mit einer erheblichen Eindringtiefe aggressiv in das Statormaterial ein- schneiden, während die Laufschaufeln danach im kommerziellen Betrieb in einer langen operativen Phase nur noch in geringem Masse einschneiden bzw. einreiben. Somit soll sichergestellt werden, dass das abrasive Material in dieser Zeit einen weniger starken Kontakt mit dem Stator unbeschadet übersteht.
Erfinduπgsgemäss wird dies bei einer thermischen Turbomaschine mit dem Merkmalen des unabhängigen Anspruchs erreicht.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine Anzahl von ersten Laufschaufeln vorzusehen, die nur mit einer ersten aggressiv schneidenden, abrasiven Schicht beschichtet ist. Die Laufschaufeln, die mit der ersten abrasiven Schicht ausgestattet sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln und somit die einzigen, die bei einem Kontakt mit dem Stator Scheidarbeit leisten müssen.
Zusätzlich sind weitere Laufschaufeln, die ausschliesslich eine zweite, thermisch stabilere abrasive Schicht aufweisen, über den Umfang des Rotor verteilt. Diese Laufschaufeln haben eine geringere radiale Länge als die ersten Laufschaufeln, die mit der erste abrasiven Schicht ausgestattet sind, und eine grössere radiale Länge als ungepanzerte Laufschaufeln. Die weitaus grössere Anzahl der Laufschaufeln, welche über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind, weisen keine abrasive Schicht auf. Diese Laufschaufeln werden von den Laufschaufeln mit einer abrasiven Schicht jedoch soweit geschützt, dass eine ungepanzerte Laufschaufel nicht in Kontakt mit dem Stator kommt.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine Anzahl von ersten Laufschaufel mit zwei, einer zweiten abrasiven und einer ersten abrasiven Schicht an der Schaufelspitze vorhanden. Die oberste abrasive Schicht ist aggressiv scheidend, hat aber nur eine geringe thermische Stabilität. Die untere abrasive Schicht, die nach einem Verschleiss der oberen abrasiven Schicht zum Vorschein kommt, ist nun weniger aggressiv im Schneideverhalten, dafür jedoch thermisch wesentlich stabiler. Die Laufschaufeln, die mit der ersten abrasiven Schicht versehen sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln und somit die einzigen, die beim Kontakt mit dem Stator Scheidarbeit leisten müssen. Somit ist während der Inbetriebnahme der thermischen Turbomaschine und der damit verbundenen Einreibprozedur nur die abrasive Schicht mit dem Stator in Kontakt. Im weiteren Betrieb verschleisst diese obere, agressiv schneidende, aber thermisch wenig stabile abrasive Schicht. Danach ist in der folgenden kommerziellen Phase der Strömungsmaschine nur noch die zweite, thermisch stabile, aber weniger agressiv schneidende ab- rasive Schicht in Kontakt mit dem Stator.
Die abrasiven Schichten bestehen vorzugsweise aus sehr harten kubischen Bor- nitrideπ mit Titanbeschichtung, die in eine Matrix aus Füllermaterial eingebettet sind. Die Matrix, in die die Partikel eingebettet sind, besteht aus relativ duktilem, gut benetzendem Material. Der Vorzug dieser Beschichtungen besteht in der Kombination des durch die Hartstoffe erzeugten aggressiven Schneidverhaltens mit der durch die duktile Matrix gewonnenen Zähigkeit. Mit der guten Benetzung zwischen Titanbeschichtung und kompatiblem Füllstoff ergibt sich dadurch ein System, das auch den starken mechanischen Belastungen während des Einreib- Vorgangs Stand hält. Als Füllstoff bei der Beschichtuπg von Verdichterschaufelπ kommt entweder eine dem Grundmaterial ähnliche Stahllegierung, oder ein Nickelwerkstoff mit geringen Zusätzen von Bi und S zum Einsatz. Für Komponenten aus der Turbinenstufe in der höhere Temperaturen herrschen, können ebenfalls geeignete Superlegierungen auf der Basis von Nickel- oder Kobalt verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Uπ- teransprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen eine erfindungsgemässen Turbinenschaufel mit einer abrasiven Schutzschicht an der Spitze,
Fig. 2 einen Rotor einer erfindungsgemässen Turbomaschine mit einer Anzahl von Laufschaufeln, die einem Stator gegenüberliegend angeordnet sind,
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Qualität Q der Schπeidefähigkeit gegenüber der thermischen Stabilität T der verschiedenen abrasiven Schutzschicht aufgetragen ist,
Fig. 4 eine Vorrichtung zum Beschichtung einer Turbinenschaufel, Fig. 5 ein Kontrollsystem für die Vorrichtung der Fig. 4 und Fig. 6 eine durch die Erfindung realisierte Kompressorschaufelspitze mit abra- siver Schutzschicht und Fig. 7 das Schliffbild einer abrasiven Beschichtung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömuπgsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist eine Laufschaufel 1 einer Gasturbine, eines Verdichters oder einer anderen thermischen Turbomaschine dargestellt. Die Laufschaufel 1 besteht aus einem Schaufelblatt 4 mit einer Schaufelspitze 2 und einem Schaufelfuss 3, mit dem die Laufschaufel 1 auf einem Rotor 9 montiert wird. Zwischen Schaufelblatt 4 und Schaufelfuss 3 ist üblicherweise eine Plattform 5 angeordnet, welche den Schaufelfuss 3 und damit den Rotor 9 von den das Schaufelblatt 4 umströmenden F uiden abschirmt. Die Laufschaufel 1 kann mit einer Schutzschicht 6 aus MCrAIY und zusätzlichem keramischen Material (TBC) überzogen sein. An der Spitze dieser Laufschaufel 1 ist eine abrasive Schutzschicht 7 angeordnet. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Laufschaufelreihe der thermischen Turbomaschine. Die Laufschaufeln 1 sind am Rotor 9 befestigt und dem Stator 8 gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäss sind eine geringe Anzahl der Laufschaufeln 1 einer über den Umfang des Rotors 9 angeordneten Laufschaufel- reihe mit zwei verschiedenen abrasiven Schichten 7ι, 72 an der Schaufelspitze 2 ausgestattet. Die oberste abrasive Schicht 72 mit der Höhe x2 ist aggressiv scheidend, hat aber nur eine geringer thermische Stabilität. Die untere abrasive Schicht 7ι mit der Höhe xi, die nach einem Verschleiss der oberen abrasiven Schicht 72 zum Vorschein kommt, ist nun weniger aggressiv im Schneideverhal- ten, dafür jedoch wesentlich thermisch stabiler. Der qualitative Zusammenhang zwischen der Qualität der Schneidefähigkeit Q und der thermische Beständigkeit T der abrasiven Schichten 7ι, 72 ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt.
Die Laufschaufeln 1 , die mit der abrasiven Schicht 72 versehen sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln 1 und somit die einzigen, die bei einem Kontakt mit dem Stator 8 Scheidarbeit leisten müssen. Somit ist während einer (Neu)- Inbetriebnahmen der thermischen Turbomaschine und der damit verbundenen Einreibprozedur nur die abrasive Schicht 72 mit dem Stator 8 in Kontakt. Im weiteren Betrieb verschleisst diese obere, agressiv schneidende, aber thermisch wenig stabile abrasive Schicht 72. Danach ist in der folgenden kommerziellen Phase der Strömungsmaschine nur die untere abrasive Schicht 7ι in Kontakt mit dem Stator 8.
Eine einfache Variante der vorliegenden Erfindung besteht darin Laufschaufeln 1 mit drei unterschiedlichen Längen in einer Schaufelreihe einzusetzen. Eine Anzahl von ersten Laufschaufeln 1 ist nur mit einer ersten aggressiv schneidenden, abrasiven Schicht 72 beschichtet. Die Laufschaufeln 1 , die mit der ersten abrasiven Schicht 72 ausgestattet sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln 1 und somit die einzigen, die bei einem Kontakt mit dem Stator 8 Scheidarbeit leisten müssen. Wegen der weniger guten thermischen Stabilität der abrasiven Schicht 72 sind zusätzlich Laufschaufeln 1 , die ausschliesslich eine untere abrasive Schicht 7ι , die weniger gute Schneideigenschafteπ, jedoch wesentlich grössere thermische Stabilität aufweisen, über den Umfang des Rotors 9 verteilt. Wie in der Fig. 2 dar- gestellt, haben, diese Laufschaufeln 1 eine geringere radiale Länge als die ersten Laufschaufeln 1 , die mit der ersten bzw. oberen abrasiven Schicht 72 ausgestattet sind, und eine grössere radiale Länge als ungepanzerte Laufschaufeln 1.
Die weitaus grössere Anzahl der Laufschaufeln 1 , welche über den Umfang des Rotors 9 verteilt angeordnet sind, weisen keine abrasive Schicht auf. Diese Laufschaufeln 1 werden von den Laufschaufelπ 1 mit einer abrasiven Schicht 7ι, 72 jedoch soweit geschützt, dass eine uπgepanzerte Laufschaufel 1 nicht in Kontakt mit dem Stator 8 kommt, da sie eine geringere radial Länge haben.
Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen einer abrasaiven Schicht 7ι, 72 auf die Spitze einer Laufschaufel 1. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus DE-C1-198 53 733 bekannt.
Die erste abrasive Schichten 72 besteht vorzugsweise aus sehr harten kubischen Borπitrideπ (cBN), während die zweite abrasive Schicht 7^ aus Karbiden, insbesondere aus Chromkarbiden besteht, die jeweils in eine Matrix aus Füllermaterial eingebettet sind. Die Matrix, in die die Partikel eingebettet sind, besteht aus relativ duktilem, gut benetzendem Material und die Benetzung der Abrasivteilchen kann durch eine Titan- oder Nickelbeschichtung erhöht werden. Der Vorzug die- ser Beschichtungen besteht in der Kombination des durch die Hartstoffe erzeugten aggressiven Schneidverhaltens mit der durch die duktile Matrix gewonnenen Zähigkeit. Mit der guten Benetzung zwischen Titanbeschichtung und kompatiblem Füllstoff ergibt sich dadurch ein System, das auch den starken mechanischen Belastungen während des Einreibvorgangs Stand hält. Als Füllstoff bei der Be- Schichtung von Verdichterschaufeln kommt entweder eine dem Grundmaterial ähnliche Stahllegierung, oder ein Nickelwerkstoff mit geringen Zusätzen von Bi und S zum Einsatz. Für Komponenten aus der Turbinenstufe in der höhere Tem- peraturen herrschen, können ebenfalls geeignete Superlegierungen auf der Basis von Nickel- oder Kobalt verwendet werden.
Fig. 4 zeigt ein allgemeines Beispiel einer Vorrichtung zum Auftragungen einer Beschichtung 17, welche der abrasiven Schicht 7ι, 72 entspricht, auf die Schaufelspitze 2 einer Laufschaufel 1. Ein Laserstrahl 11 wird über die Oberfläche 10 der Laufschaufel 1 bewegt (oder die Laufschaufel 1 wird relativ zum Laserstrahl 11), wobei die Oberfläche 10 lokal aufgeschmolzen wird. Dabei bildet sich ein Schmelzbad 12. Für die Beschichtung oder andere Auftragungsverfahren wird dem Schmelzbad 12 pulverförmiges Material 13 und ein Trägergas 14 mittels einer Zufuhrdüse 15 und einer Düse 15a in der Form eines Strahls zugeführt. Bei dem pulverförmigen Material kann es sich dabei um eine geeignete Mischung aus abrasivem Hartstoff und Bindermaterial handeln. Von dem Schmelzbad 12 wird kontinuierlich ein optisches Signal 18 aufgenommen und für die Bestimmung der Temperatur, der Temperaturschwankungen und -gradienten als Eigenschaften des Schmelzbads 12 verwendet. Mit der vorliegenden Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren können auch mehrere Beschichtungen 17 nacheinander aufgetragen werden, wobei die Prozessparameter, wie z.B. Laserleistung, Vorschubsgeschwindigkeit, oder Mischungsverhältnis zwischen Hartstoff und Bin- dermaterial für jede Beschichtung 17 oder für verschiedene Teile der selben Beschichtung 17 verändert werden können. Das vorliegende Verfahren eignet sich auch für die Beschichtung von dreidimensionalen Objekten. In der Ausführungsform der Fig. 4 wird das Pulver 13 konzentrisch in bezug auf den Kegel der vom Schmelzbad 12 erfassten optischen Signale 18 in das Schmelzbad 12 zugege- ben.
Fig. 5 zeigt einen gesamten Regler 21 für die Vorrichtung der Fig. 4. Die Informationen des optischen Signals 18 wird in einem geschlossenen Regelkreis in dem Regler 21 verwendet, um Prozessparameter wie Laserleistung, die relative Ge- schwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 11 und der zu beschichtenden Komponente, den Volumenstrom des Trägergases 14, den Massenstrom des eingedü- sten Pulvers 13, die Entfernung zwischen der Düse 15a und der Laufschaufel 1 und den Winkel zwischen der Düse 15a und der Laufschaufel 1 einzustellen. Zur Regelung der Laserleistung dient ein Regler 24, zur Regelung der Zufuhrdüse 15 ein Regler 23 innerhalb des Reglers 21. Auf diese Weise können die gewünschten Eigenschaften des Schmelzbads 12 erreicht werden. Wie in der Fig. 5 durch das Bezugszeichen 17 angedeutet, erstarrt das Schmelzbad 12 danach als Beschichtung.
Die automatische Regelung der Laserleistung durch den Regler 21 erlaubt es, ein Temperaturfeld einzustellen, welches zur Erreichung der gewünschten Mi- krostruktur der Beschichtung 17 vorteilhaft ist. Zusätzlich kann das optische Signal 18 verwendet werden, um Marangoni-Koπvektion im Schmelzbad 12 zu vermeiden. Dies minimiert das Risiko der Bildung von Defekten während der Erstarrung des geschmolzenen Materials.
Hochleistungslaser wie C02, fasergekoppelte Nd-YAG oder Diodenlaser eignen sich ganz besonders als Energiequelle. Die Laserstrahlung kann auf kleine Spots fokussiert und verändert werden, was eine sehr präzise Kontrolle des Energieeintrags in das Grundmaterial erlaubt. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, ist der Regler 24 für die Laserleistung entkoppelt vom Hauptprozessregler 22. Dies ermög- licht eine schnellere Verarbeitung der Daten in Echtzeit.
Das vorliegende Verfahren verwendet eine konzentrische Zufuhrdüse 15, einen Laser 11 und ein Onliπe-Überwachungssystem mit Echtzeit-Prozesskontrolle. Mit der Hilfe dieses Online-Überwachungssystems können optimale Verfahrenspara- meter eingestellt werden, um dadurch eine gewünschte Mikrostruktur der Beschichtung 17 zu erhalten.
Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, verbindet das Verfahren die Laserstrahl- und Materialzufuhr und das Überwachungssystem in einem gemeinsamen Kopf. Mit der Hilfe eines dichroitischen Spiegels 19 kann die lnfrarot-(IR)-Strahlung des Schmelzbads 12 von der selben Optik aufgenommen werden, die für den Laserstrahl verwendet wird. Der dichroitische Spiegel 19 überträgt den Laserstrahl 11 zum Schmelzbad 12 und ist gleichzeitig durchlässig für das optische Signal 18 vom Schmelzbad 12. Das optische Signal 18 wird vom Schmelzbad 12 zu einem Pyrometer 20 oder einem anderen Detektor übertragen, um die Online- Bestimmung der Temperatur des Schmelzbads 12 vorzunehmen.
Für diese Zwecke sind die optischen Eigenschaften des Überwachungssystems so ausgewählt, dass der Messfleck kleiner als das Schmelzbad 12 ist und sich in der Mitte des Schmelzbads befindet.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer beschichteten Kompressorschaufelspitze, die durch das beschriebene Verfahren realisiert wurde. Es ist erkennbar, dass es sich bei der beschichteten Komponente um eine dünnwandige Struktur handelt, die sich bei exzessiver Wärmeeinbringung verformen würde, was inakzeptable Toleranzen zur Folge hätte. Durch die lokal sehr begrenzte Einwirkung des Lasers und die exakte Leistungskontrolle wird dies vermieden und die Dimensionen des Bauteils werden nur minimal verändert.
Fig. 7 zeigt einen Längsschliff durch eine abrasiv beschichtete Kompressorschaufelspitze. Das Grundmaterial der Schaufel besteht aus austenitischem Stahl und die etwa 300μm dicke Beschichtung wurde durch ei ne Mischung aus Ti- beschichteten cBN Hartstoffteilcheπ und NiBSi Bindermateri al erzeugt. Es handelt sich in diesem Fall um ein Beispiel, bei dem nur eine einzi ge Beschichtung auf- gebracht wurde. Die cBN-Hartstoffteilchen sind in der oberen Hälfte der Beschichtung als blockige Strukturen erkennbar. Sie sind vollständig von Binde r- material umhüllt, was die gute Beπetzung der Hartstoffteilchen belegt. Fig. 7 zeigt, dass bei guter Prozesskontrolle, z.B. durch den bereits in Fig. 5 beschriebenen Regler, eine riss- und porenfreie Struktur mit exzellenter Anbindung an das Grundmaterial realisiert werden kann.
In einer weiteren Realisierung der vorliegenden Erfindung wird das zur Leistungsregelung verwendete optische Signal 18 mittels eines faseroptischen Bildleiters oder einer CCD-Kamera aus dem Zentrum und Randbereichen des Schmelzba- des aufgezeichnet. Hierzu wird die als Detektor eingesetzte CCD-Kamera mit geeigneten optischen Filtern ausgerüstet. Diese Information wird dann verwendet, um die Temperatur an einem oder gleichzeitig an mehreren Punkten im Zentrum oder Randbereich des Schmelzbades 12 zu bestimmen. Der Kegel des erfassten optischen Signals 18 kann dabei konzentrisch zum fokussierten Laserstrahl angeordnet werden. Diese symmetrische Anordnung garantiert, dass die Wechselwirkungsprozesse zwischen Laser und Pulver 13 für alle Bewegungsrichtung identisch sind. Dies ist vor allem vorteilhaft bei der Bearbeitung komplex geformter Bauteile, da durch die konstanten Wechselwirkungsprozesse gleichbleibend gute Bearbeitungsqualität erreicht wird. In einer anderen Realisierung der Erfindung wird das vom Schmelzbad 12 emittierte optische Signal 18 zur Qualitätskontrolle verwendet: Die Analyse der Messwerte erlaubte, die Prozessparameter so zu optimieren, dass eine gewünschte Mikrostruktur der Beschichtung resultiert. Die Aufzeichnung der Signale kann auch zu Dokumentationszwecken und zum Sicherstellen konstant guter Produktqualität erfolgen. Zur Realisierung des Kontrollsystems können massgβschneiderte, kommerziell erhältliche Software-Tools (z.B. LabView RT) mit umfangreicher Funktionalität verwendet werden. Auf diese Weise werden Regelzeiten von <10ms ermöglicht. Zudem können für das Kontrollsystem komplexe PID Regelungen mit spezifisch auf den jeweiligen Tempe- raturbereich abgestimmten Parametern umgesetzt werden.
BEZUGSZEICHEN
1 Laufschaufel
2 Schaufelspitze
3 Schaufelfuss
4 Schaufelblatt
5 Plattform
6 Schutzschicht
7 Abrasive Schutzschicht
7ι Erste abrasive Schutzschicht 72 Zweite abrasive Schutzschicht
8 Stator
9 Rotor
10 Oberfläche der Turbiπenschaufel 1
11 Laserstrahl
12 Schmelzbad
13 Pulver, pulverförmiges Material
14 Trägergas
15 Zufuhrdüse
15a Düse
16 Beweguπgsrichtung
17 Erstarrtes Material, Beschichtung
18 Optisches Signal
19 Dichroitischer Spiegel
20 Pyrometer
21 Regler
22 Hauptprozessregler
23 Regler für Zufuhrdüse 15 und Düse 15a
24 Regler für Laser 11
Q Qualität der Schneidefähigkeit
T Thermische Beständigkeit
Xi Höhe der abrasive Schutzschicht 7ι
X2 Höhe der abrasive Schutzschicht 72

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Thermische Turbomaschine umfassend einen Rotor (9), einen Stator (8), wobei wenigstens ein Bereich am Innenumfang des Stators mit einer abreibbaren Schicht beschichtet ist, und mindestens eine Reihe von Laufschaufeln (1), die um den Umfang des Rotors mit den Schaufelspitzen dem beschichteten Bereich des Stators gegenüberliegend angeordnet sind,
- wobei mindestens eine erste Laufschaufel eine grössere radiale Länge als zweite Laufschaufeln aufweist, und an der Schaufelspitze (2) mit einer ersten abrasiven Schicht (72) ausgestattet ist,
- wobei mindestens eine zweite Laufschaufel, welche eine kleinere radiale Länge als die erste Laufschaufel aufweist, an der Schaufelspitze (2) mit einer zweiten abrasiven Schicht (7ι) ausgestattet ist,
- wobei die erste abrasive Schicht (72) eine bessere Schneidfähigkeit, das heisst ein aggressiveres Schneidverhalten gegenüber der abreibbaren Schicht, und eine geringere thermische Stabiltät aufweist, als die zweite, abrasive Schicht (7ι).
2. Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Schaufelspitze (2) wenigstens einer Laufschaufel eine zweite abrasive Schicht (7t) angeordnet ist, und auf der zweiten abrasiven Schicht eine erste abrasiven Schicht (72) angeordnet ist.
3. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von ersten und zweiten Laufschaufeln (1) über den Umfang der Laufschaufelreihe am Rotor (9) angeordnet sind.
4. Thermische Turbomaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Laufschaufeln, welche eine geringere radiale Länge als die ersten und zweiten Laufschaufeln haben, unbeschichtete Schaufelspitzen aufweisen
5. Thermische Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Schichten (7ι, 72) aus in einer Matrix eingebetteten abrasiven Partikeln bestehen.
6. Thermische Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten abrasiven Schicht (72) die Partikeln kubische Bornitride sind und in der zweiten abrasiven Schicht (7ι) die Partikel Karbide, insbesondere Chromkarbide, sind.
7. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln der ersten und/oder der zweiten Schicht mit einer Nickel- oder Titanlegieruπg überzogen sind.
8. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus einer komponentenähnlichen Stahllegierung, einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Lotverbiπduπg oder einer hochtemperaturbeständigen Nickel- oder Kobald-Superlegierung besteht.
9. Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel einer thermischen Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend, den Schaufelwerkstoff an der Schaufelspitze anzuschmelzen, und dem entstehenden Schmelzbad ein pulverförmiges Material zuzuführen.
10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverför- mige Material abrasive Hartstoffpartikel und Bindermaterial enthält.
11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, den Werkstoff an der Schaufelspitze mittels eines Laserstrahls anzuschmelzen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , gekennzeichnet dadurch, eine aktive Leistungsregelung des Lasers zu verwenden, um ein Subiimieren oder Auflösen der abrasiven Partikel zu verhindern.
13. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Turbomaschiπe ein Verdichter oder eine Gasturbine ist.
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