WO2005071228A1 - Schichtsystem für eine rotor-/ statordichtung einer strömungsmaschine - Google Patents

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WO2005071228A1
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Manfred A. DÄUBLER
Klaus Schweitzer
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Mtu Aero Engines Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a layer system for a rotor / stator seal of a turbomachine, in particular a gas turbine, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a turbomachine with such a rotor / stator seal.
  • a gas turbine such as an aircraft engine, has at least one rotor and at least one stator.
  • Several rotor blades rotating together with the rotor are assigned to the rotor, the rotor blades rotating relative to a stator.
  • the stator is usually formed by a fixed housing and fixed guide vanes.
  • the gap dimension of the above column is not constant, but is subject to changes during the different operating phases of the gas turbine.
  • the rotating blades experience an elongation in the radial direction under high operating loads due to the thermal stress and the acting centrifugal force, while the stator-side, fixed housing is only subjected to thermal expansion.
  • inlet linings i.e. Pads with low abrasion resistance
  • Inlet coverings with low abrasion resistance also have good thermal insulation and, due to their good infeed ability, allow inlet depths in the millimeter range (typically 0.1 mm to 1.0 mm) without damaging the blades.
  • Such an inlet covering is known for example from US 4,936,745.
  • a layer system for a rotor / stator seal of a turbomachine, which is applied to a metallic component, is known from the unpublished DE 102 25 532.
  • the metallic component is, for example, a housing made of a titanium-based alloy.
  • the layer system described there can be run-in compared to a rotating component and has a two-layer run-in coating.
  • the two layers of the inlet covering are ceramic, a first, inner layer of the inlet covering being relatively hard and a second, outer layer being able to enter.
  • the two layers of the layer system according to DE 102 25 532 both have a constant consistency along their thickness, so they are both not graded.
  • the present invention is based on the problem of proposing a novel layer system for the rotor / stator seal of a turbomachine and a corresponding turbomachine.
  • This problem is solved in that the above-mentioned layer system for the rotor / stator seal of a turbomachine is further developed by the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • the layers of the inlet covering are each graded such that the porosity and / or composition thereof changes over the thickness of the layers, the first, inner layer of the inlet covering having a lower porosity relative to the second, outer layer of the inlet covering and / or is denser, and wherein the first, inner layer of the run-in covering provides a titanium fire protection layer.
  • the layer system according to the invention has an at least two-layer inlet covering, all layers of the inlet covering being graded in such a way that the porosity and / or composition of the layers changes over the thickness thereof.
  • the layer system is specially designed for rotors and stators that are made of a titanium-based alloy or a titanium-aluminum alloy.
  • the inner layer of the inlet covering provides a titanium fire protection layer. With such a titanium fire protection layer, a titanium fire on the components made of the titanium-based alloy or the titanium-aluminum alloy can be reliably prevented.
  • the second, outer layer is both shrinkable and erosion-resistant.
  • the run-in covering has three layers, a third layer being arranged between the first, inner layer and the second, outer layer, and all three layers being graded such that the porosity and / or composition changed.
  • the third layer preferably provides a thermal barrier coating.
  • a metallic adhesive layer is preferably arranged between the first component and the inlet lining, the adhesive layer being arranged between the first, inner layer of the inlet lining and the component.
  • FIG. 1 shows a highly schematic basic diagram to illustrate the problem on which the present invention is based
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the layer system according to the invention
  • FIG. 3 shows a cross section through a layer system according to the invention in a so-called bright field representation
  • FIG. 4 shows a cross section through the layer system according to the invention from FIG. 3 in a so-called dark field representation.
  • Fig. 1 shows a highly schematic of a rotating blade 10 of a gas turbine, which rotates in the direction of arrow 12 relative to a stationary, stator-side housing 11.
  • a layer system 13 for a rotor / stator seal is arranged on the housing 11 between the rotor-side rotor blade 10 and the stator-side housing 11, the layer system 13 forming an inlet lining.
  • the layer system 13 serves to seal a radial gap between a tip 14 of the rotating rotor blade 10 and the stationary housing 11.
  • the housing 11 shown schematically in FIG. 1 is the housing of a compressor according to the preferred embodiment.
  • the requirements placed on such a layer system are very complex.
  • the layer system must have an optimized abrasion behavior, ie good chip formation and removal of the abrasion must be guaranteed. Furthermore, no material transfer to the rotating blades 10 may take place.
  • the layer system 13 must also have a low frictional resistance when rubbed in. Furthermore, the layer system 13 must not ignite when touched by the rotating blades 10.
  • a housing 1 which is preferably made of a titanium base alloy or a titanium-aluminum alloy or another material is formed, and in the case of blades 10 which are formed from a titanium-based alloy or a titanium-aluminum alloy, a titanium fire must be reliably avoided.
  • FIG. 1 illustrates that, due to the centrifugal forces that occur during operation of the gas turbine and the heating of the gas turbine, the ends 14 of the rotor blades 10 come into contact with the layer system 13 and so an abrasion 15 is released. This pulverized abrasion 15 must not cause any damage to the rotating blades 10.
  • a layer system for a rotor / stator seal of a turbomachine, preferably a gas turbine, is now proposed, which is based on a first component, namely on the housing 11, which is preferably made of a titanium-based alloy or a titanium-aluminum alloy is formed, is applied.
  • Fig. 2 shows a particularly preferred embodiment of this layer system, which is applied to the housing 1 1.
  • the layer system according to FIG. 2 has an inlet covering 13, the inlet covering 13 in the exemplary embodiment of FIG. 2 being formed from three layers, namely from a first, inner layer 16, a second, outer layer 17 and one between the two layers 16 and 17 arranged third layer 18. It should be noted that the third layer 18 is optional, but particularly preferred.
  • all three layers 16, 17 and 18 of the inlet covering 13 are ceramic. All three layers 16, 17 and 18 of the run-in coating 13 are preferably formed from a zirconium oxide partially stabilized with 6-8% by weight of yttrium oxide, preferably from Zr0 2 -7Y 2 0 3 . Furthermore, all three layers 16, 17 and 18 of the inlet covering 13 are graded in such a way that the porosity and / or composition thereof changes over the thickness of the layers 16, 17 and 18.
  • the first, inner layer 16 of the inlet lining 13 is relatively hard and relatively dense compared to the second, outer layer 17 and accordingly has a relatively low porosity.
  • the first, inner layer 16 forms a titanium fire protection layer.
  • the second, outer layer 17 of the inlet covering 13 is relatively soft and has a relatively large porosity.
  • the second, outer layer 17 is capable of being run in and allows the tips 14 of the rotating rotor blades 10 to run into the run-in coating 13 without wear.
  • the third layer 18 positioned between the two layers 16 and 17 provides a thermal insulation layer and forms a transition between the layers 16 and 16 17th
  • an adhesive layer 19 is arranged between the inlet covering 13 and the housing 11. 2
  • the adhesive layer 19 is arranged between the first, inner layer 16 of the inlet covering 13 and the housing 11.
  • the adhesive layer is metallic, preferably made of a nickel-aluminum alloy.
  • the adhesive layer 19 has a rough surface which is matched to the first, inner layer 16 of the inlet covering 13 in order to interlock with the first, inner layer 16 of the inlet covering 13 and good adhesion of the inlet covering 13 to the adhesive layer 19 and thus ultimately to ensure on the housing 1 1.
  • FIGS. 3 and 4 show microscopic images of a layer system according to the invention, FIG. 3 being a so-called bright field representation and FIG. 4 being a so-called dark field representation.
  • the different porosity of the graded layers 16, 17 and 18 of the inlet covering 13 can be seen from the representations of FIGS. 3 and 4.
  • the entire inlet covering 13 typically has a thickness of 1.0 mm to 10 mm, in particular a thickness of 1.5 mm to 5 mm, particularly preferably a thickness of 1.5 mm to 3 mm.
  • the first, inner layer 16 of the inlet covering 13 has a thickness of at least 1 mm. 4 shows that in the preferred exemplary embodiment the first, inner layer 16 has a thickness of 1000 ⁇ m, that is to say 1 mm.
  • the second, outer layer 17 has a thickness of at least 0.4 mm, in particular of at least 0.8 mm because of the inlet depths to be guaranteed. 4, the second, outer layer 17 has a thickness of 1050 ⁇ m, that is 1.05 mm.
  • the third layer 18 positioned between the first inner layer 16 and the second outer layer 17 has a thickness of at least 0.1 mm, in particular a thickness of at least 0.3 mm. 4, the thickness of the third layer is 330 ⁇ m, that is 0.33 mm.
  • Each of the graded ceramic layers 16, 17 and 18 of the run-in coating 13 is produced by thermal spraying.
  • the grading can be achieved, for example, by changing the ratio of the materials used for thermal spraying during the application of one of the layers 16, 17 and 18.
  • process parameters such as the process temperature, can be changed during thermal spraying in order to influence the porosity. This can also influence the porosity.
  • a layer system for a rotor / stator seal of a turbomachine which has a multilayer inlet coating, each layer of the inlet coating being ceramic and having a graded, i.e. continuously changing, porosity and / or composition.
  • the fact that ceramic layers are used throughout in the inlet covering means that leaps in properties within the inlet covering are reduced to a minimum. This increases the lifespan of the running-in covering.
  • the running-in covering according to the invention simultaneously fulfills requirements such as titanium fire protection, erosion resistance, good abrasion behavior and thermal insulation. It is particularly suitable for use in an aircraft engine compressor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für eine Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine. Das Schichtsystem ist auf ein erstes Bauteil, welches vorzugsweise aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, aufgebracht und gegenüber einem relativ zu diesem beweglichen, zweiten Bauteil, welches aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, einlauffähig. Das Schichtsystem verfügt über einen mindestens zwei Schichten aufweisenden Einlaufbelag, wobei eine erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags relativ zu einer zweiten, außenliegenden Schicht des Einlaufbelags härter ist, wobei die zweite, außenliegende Schicht einlauffähig ist, und wobei die Schichten des Einlaufbelags keramisch sind. Erfindungsgemäß sind die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) jeweils derart gradiert, dass sich über die Dicke der Schichten (16, 17, 18) die Porosität derselben verändert, dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu der zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) eine geringere Porosität und/oder Zusammensetzung aufweist und/oder dichter ist, und dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) eine Titanfeuerschutzschicht bereitstellt.

Description

Schichtsystem für eine Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für eine Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Rotor-/ Statordichtung.
Eine Gasturbine, wie zum Beispiel ein Flugtriebwerk, verfügt über mindestens einen Rotor sowie mindestens einen Stator. Dem Rotor sind mehrere, zusammen mit dem Rotor rotierende Laufschaufeln zugeordnet, wobei die Laufschaufeln gegenüber einem Stator rotieren. Der Stator wird in der Regel von einem feststehenden Gehäuse sowie feststehenden Leitschaufeln gebildet. Um unerwünschte, den Wirkungsgrad von Gasturbinen beeinflussende Spaltverluste gering zu halten, ist es unter anderem erforderlich, Spalte zwischen den hochtourig drehenden Laufschaufeln des Rotors und einem den Rotor umgebenden, statorseitigen Gehäuse möglichst dauerhaft gering zu halten, d.h. eine möglichst gute Dichtwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator zu erzielen.
Das Spaltmaß der obigen Spalte ist bekanntlich nicht konstant, sondern es unterliegt während der unterschiedlichen Betriebsphasen der Gasturbine Veränderungen. So erfahren zum Beispiel die rotierenden Laufschaufeln unter hohen Betriebsbelastungen aufgrund der thermischen Beanspruchung sowie der wirkenden Zentrifugalkraft eine Streckung in radialer Richtung, während das statorseitige, feststehende Gehäuse nur einer thermischen Dehnung unterliegt. Diese unterschiedlichen thermischen Reaktionscharakteristika führen zu den Veränderungen des Spaltmaßes.
Damit die unterschiedlichen thermischen Reaktionscharakteristika der rotierenden Laufschaufeln mit dem die Laufschaufeln umgebenden Gehäuse und der Forderung nach geringem Spaltmaß zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Gehäuse berücksichtig wird, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, zwischen den Schaufelspitzen der rotierenden Laufschaufeln und dem statorseitigen Gehäuse ein Anstreifen bzw. Einlaufen zuzulassen. Um hierbei Beschädigungen der Schaufelspitzen der rotierenden Laufschaufeln und des feststehenden Gehäuses auszuschließen, ist auf die Schaufelspitzen der Lauf- schaufeln häufig eine sogenannte Abrasivbeschichtung aufgebracht, wohingegen auf das statorseitige, feststehende Gehäuse zumindest bereichsweise ein entsprechender Einlaufbelag aufgebracht ist. Beim Anstreifen bzw. Einlaufen der Schaufelspitze an dem auf das feststehende Gehäuse aufgebrachten Einlaufbelag schneiden bzw. reiben die Schaufelspitzen oder die auf die Schaufelspitzen der rotierenden Laufschaufeln aufgebrachten Abra- sivpartikel in den Einlaufbelag ein und tragen diesen bereichsweise ab.
Um den Verschleiß der Schaufelspitzen möglichst gering zu halten, ist es aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, Einlaufbeläge, d.h. Beläge mit geringer Abriebfestigkeit, zu verwenden. Einlaufbeläge mit geringer Abriebfestigkeit verfügen zudem über eine gute Wärmedämmung und erlauben aufgrund ihrer guten Einlauffähigkeit Einlauftiefen im Millimeterbereich (typischerweise 0,1 mm bis 1,0 mm), ohne dass Schaufelbeschädigungen auftreten. Ein derartiger Einlaufbelag ist zum Beispiel aus der US 4,936,745 bekannt. Als nachteilig erweist sich jedoch der Umstand, dass die weichen Einlaufbeläge erosionsempfindlich sind, über eine schlechte Thermowechselbeständigkeit verfügen, was insgesamt zu einer eingeschränkten Lebensdauer führt.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 102 25 532 ist ein Schichtsystem für eine Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine bekannt, das auf ein metallisches Bauteil aufgebracht ist. Bei dem metallischen Bauteil handelt es sich zum Beispiel um ein Gehäuse aus einer Titanbasislegierung. Das dort beschriebene Schichtsystem ist gegenüber einem rotierenden Bauteil einlauffähig und verfügt über einen zwei Schichten umfassenden Einlaufbelag. Die beiden Schichten des Einlaufbelags sind keramisch ausgebildet, wobei eine erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags relativ hart ist und wobei eine zweite, außenliegende Schicht einlauffähig ist. Die beiden Schichten des Schichtsystems gemäß DE 102 25 532 verfügen beide entlang ihrer Dicke über eine gleichbleibende Konsistenz, sie sind demnach beide nicht gradiert.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Schichtsystem für die Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine sowie eine entsprechende Strömungsmaschine vorzuschlagen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Schichtsystem für die Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Schichten des Einlaufbelags jeweils derart gradiert, dass sich über die Dicke der Schichten die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert, wobei die erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags relativ zu der zweiten, außenliegenden Schicht des Einlaufbelags eine geringere Porosität aufweist und/oder dichter ist, und wobei die erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags eine Titanfeuerschutzschicht bereitstellt.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem verfügt über einen mindestens zweischichtigen Einlaufbelag, wobei alle Schichten des Einlaufbelags derart gradiert sind, dass sich die Porosität und/oder Zusammensetzung der Schichten über die Dicke derselben verändert. Das Schichtsystem ist speziell für Rotoren sowie Statoren abgestimmt, die aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet sind. Die innere Schicht des Einlaufbelags stellt nämlich eine Titanfeuerschutzschicht bereit. Mit einer derartigen Titanfeuerschutzschicht kann ein Titanfeuer an den Bauteilen aus der Titanbasislegierung oder der Titan-Aluminium-Legierung sicher verhindert werden. Die zweite, außenliegende Schicht ist sowohl einlauffähig als auch erosionsbeständig.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Einlaufbelag drei Schichten auf, wobei zwischen der ersten, innenliegenden Schicht und der zweiten, außenliegenden Schicht eine dritte Schicht angeordnet ist, und wobei alle drei Schichten derart gradiert sind, dass sich über die Dicke derselben die Porosität und/oder Zusammensetzung verändert. Die dritte Schicht stellt vorzugsweise eine Wärmedämmschicht bereit.
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Bauteil und dem Einlaufbelag eine metallische Haftschicht angeordnet, wobei die Haftschicht zwischen der ersten, innenliegendeπ Schicht des Einlaufbelags und dem Bauteil angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine ist im Patentanspruch 12 definiert. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein stark schematisiertes Prinzipbild zur Verdeutlichung des der hier vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problems;
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schichtsystem in sogenannter Hellfelddarstellung; und
Fig. 4 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Schichtsystem der Fig. 3 in sogenannter Dunkelfelddarstellung.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine rotierende Laufschaufel 10 einer Gasturbine, die gegenüber einem feststehenden, statorseitigen Gehäuse 1 1 in Richtung des Pfeils 12 rotiert. Auf dem Gehäuse 1 1 ist ein Schichtsystem 13 für eine Rotor-/ Statordichtung zwischen der rotorseitigen Laufschaufel 10 und dem statorseitigen Gehäuse 1 1 angeordnet, wobei das Schichtsystem 13 einen Einlaufbelag bildet. Das Schichtsystem 13 dient der Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einer Spitze 14 der rotierenden Laufschaufel 10 und dem feststehenden Gehäuse 1 1. Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Gehäuse 1 1 handelt es sich nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um das Gehäuse eines Verdichters.
Die Anforderungen, die an ein solches Schichtsystem gestellt werden, sind sehr komplex. So muss das Schichtsystem ein optimiertes Abriebverhalten aufweisen, d.h. es muss eine gute Spanbildung und Entfembarkeit des Abriebs gewährleistet sein. Weiterhin darf kein Materialübertrag auf die rotierenden Laufschaufeln 10 erfolgen. Das Schichtsystem 13 muss des weiteren einen niedrigen Reibwiderstand beim Einreiben aufweisen. Des weiteren darf sich das Schichtsystem 13 beim Anstreifen durch die rotierenden Laufschaufeln 10 nicht entzünden. Bei einem Gehäuse 1 1, welches vorzugsweise aus einer Titanbasisle- gierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung oder auch einem anderen Werkstoff gebildet ist, und bei Laufschaufeln 10, die aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan- Aluminium-Legierung gebildet sind, muss ein Titanfeuer sicher vermieden werden. Als weitere Anforderungen, die an das Schichtsystem 13 gestellt werden, seien hier die Erosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Thermowechselbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schmierstoffen und Meerwasser exemplarisch genannt. Fig. 1 verdeutlicht, dass bedingt durch die beim Betrieb der Gasturbine auftretenden Fliehkräfte und die Erwärmung der Gasturbine die Enden 14 der Laufschaufeln 10 mit dem Schichtsystem 13 in Kontakt kommen und so ein Abrieb 15 freigesetzt wird. Dieser pulverisierte Abrieb 15 darf keine Beschädigungen an den rotierenden Laufschaufeln 10 hervorrufen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird nun ein Schichtsystem für eine Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, vorgeschlagen, das auf ein erstes Bauteil, nämlich auf das Gehäuse 1 1, welches vorzugsweise aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, aufgebracht ist. Fig. 2 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführung dieses Schichtsystems, welches auf das Gehäuse 1 1 aufgebracht ist. Das Schichtsystem gemäß Fig. 2 verfügt über einen Einlaufbelag 13, wobei der Einlaufbelag 13 im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 aus drei Schichten gebildet ist, nämlich aus einer ersten, innenliegenden Schicht 16, einer zweiten, außenliegenden Schicht 17 und einer zwischen den beiden Schichten 16 und 17 angeordneten, dritten Schicht 18. Es sei darauf hingewiesen, dass die dritte Schicht 18 optional, jedoch besonders bevorzugt ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind alle drei Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 keramisch ausgebildet. Alle drei Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 sind vorzugsweise aus einem mit 6-8 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisierten Zirkonoxid, vorzugsweise aus Zr02-7Y203, gebildet. Weiterhin sind alle drei Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 derart gradiert, dass sich über die Dicke der Schichten 16, 17 und 18 die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert.
Die erste, innenliegende Schicht 16 des Einlaufbelags 13 ist gegenüber der zweiten, außenliegenden Schicht 17 relativ hart sowie relativ dicht und verfügt demnach über eine re- lativ geringe Porosität. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bildet die erste, innenliegende Schicht 16 eine Titanfeuerschutzschicht. Die zweite, außenliegende Schicht 17 des Einlaufbelags 13 ist relativ weich und verfügt über eine relativ große Porosität. Die zweite, außenliegende Schicht 17 ist einlauffähig und ermöglicht ein verschleißfreies Einlaufen der Spitzen 14 der rotierenden Laufschaufeln 10 in den Einlaufbelag 13. Die zwischen den beiden Schichten 16 und 17 positionierte dritte Schicht 18 stellt eine Wärmedämmschicht bereit und bildet einen Übergang zwischen den Schichten 16 und 17.
Gemäß Fig. 2 ist zwischen dem Einlaufbelag 13 und dem Gehäuse 1 1 eine Haftschicht 19 angeordnet. Die Haftschicht 19 ist, wie Fig. 2 zeigt, zwischen der ersten, innenliegenden Schicht 16 des Einlaufbelags 13 und dem Gehäuse 1 1 angeordnet. Die Haftschicht ist metallisch, vorzugsweise aus einer Nickel-Aluminium-Legierung, hergestellt. Die Haftschicht 19 verfügt über eine an die erste, innenliegende Schicht 16 des Einlaufbelags 13 ange- passte, raue Oberfläche, um so eine Verzahnung mit der ersten, innenliegenden Schicht 16 des Einlaufbelags 13 zu erreichen und eine gute Haftung des Einlaufbelags 13 auf der Haftschicht 19 und damit letztendlich auf dem Gehäuse 1 1 zu gewährleisten.
Fig. 3 und 4 zeigen mikroskopische Aufnahmen eines erfindungsgemäßen Schichtsystems, wobei Fig. 3 eine sogenannte Hellfelddarstellung und Fig. 4 eine sogenannte Dunkelfelddarstellung ist. Aus den Darstellungen der Fig. 3 und 4 kann die unterschiedliche Porosität der in sich gradierten Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 entnommen werden.
Der gesamte Einlaufbelag 13 verfügt typischerweise über eine Dicke von 1,0 mm bis 10 mm, insbesondere über eine Dicke von 1,5 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt über eine Dicke von 1,5 mm bis 3 mm. Die erste, innenliegende Schicht 16 des Einlaufbelags 13 verfügt über eine Dicke von mindestens 1 mm. So zeigt Fig. 4, dass im bevorzugten Ausführungsbeispiel die erste, innenliegende Schicht 16 über eine Dicke von 1000 μm, also 1 mm, verfügt. Die zweite, außenliegende Schicht 17 verfügt über eine Dicke von mindestens 0,4 mm, wegen der zu gewährleistenden Einlauftiefen insbesondere von mindestens 0,8 mm. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 verfügt die zweite, außenliegende Schicht 17 über eine Dicke von 1050 μm, also 1 ,05 mm. Die dritte Schicht 18, die zwischen der ersten, innenliegenden Schicht 16 und der zweiten, außenliegenden Schicht 17 positioniert ist, verfügt über eine Dicke von mindestens 0,1 mm, insbesondere über eine Dicke von mindestens 0,3 mm. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 beträgt die Dicke der dritten Schicht 330 μm, also 0,33 mm.
Jede der in sich gradierten, keramischen Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 wird durch thermische Spritzen hergestellt. Die Gradierung kann zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass während des Auftragens einer der Schichten 16, 17 bzw. 18 das Verhältnis der zum thermischen Spritzen verwendeten Materialien verändert wird. Des weiteren können zur Beeinflussung der Porosität Prozessparameter, wie die Prozesstemperatur, beim thermischen Spritzen geändert werden. Auch hierdurch lässt sich die Porosität beeinflussen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demzufolge ein Schichtsystem für eine Ro- tor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine vorgeschlagen, die einen mehrschichtigen Einlaufbelag aufweist, wobei jede Schicht des Einlaufbelags keramisch ist und über eine gradierte, d.h. sich kontinuierlich ändernde, Porosität und/oder Zusammensetzung verfügt. Dadurch, dass in dem Einlaufbelag durchgängig keramische Schichten zum Einsatz kommen, werden Eigenschaftssprünge innerhalb des Einlaufbelags auf ein Minimum reduziert. Dies erhöht die Lebensdauer des Einlaufbelags. Der erfindungsgemäße Einlaufbelag erfüllt gleichzeitig Forderungen, wie Titanfeuerschutz, Erosionsbeständigkeit, gutes Anstreifverhalten sowie Wärmedämmung. Er eignet sich insbesondere zur Verwendung in Verdichtern eines Flugtriebwerks.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem für eine Rotor-/ Statordichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, das auf ein erstes Bauteil (1 1), welches vorzugsweise aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, aufgebracht und gegenüber einem relativ zu diesem beweglichen, zweiten Bauteil (10), welches aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, einlauffähig ist, mit einem mindestens zwei Schichten (16, 17, 18) aufweisenden Einlaufbelag (13), wobei eine erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu einer zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) härter ist, wobei die zweite, außenliegende Schicht (17) einlauffähig ist, und wobei die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) keramisch sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags ( 13) jeweils derart gradiert sind, dass sich über die Dicke der Schichten (16, 17, 18) die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert, dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu der zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) eine geringere Porosität aufweist und/oder dichter ist, und dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) eine Titanfeuerschutzschicht bereitstellt.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) drei Schichten (16, 17, 18) aufweist, wobei zwischen der ersten, innenliegenden Schicht (16) und der zweiten, außenliegenden Schicht (17) eine dritte Schicht (18) angeordnet ist, und wobei alle drei Schichten (16, 17, 18) derart gradiert sind, dass sich über die Dicke derselben die Porosität und/oder Zusammensetzung verändert.
3. Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (18) eine Wärmedämmschicht bereitstellt.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) auf Basis von yttriumstabilisiertem Zirkonoxid ausgeführt sind, insbesondere auf Basis von Zr02-7Y203.
5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) über eine Dicke 1,0 mm bis 10 mm verfügt, insbesondere über eine Dicke von 1,5 mm bis 5 mm, bevorzugt über eine Dicke von 1,5 mm bis 3 mm.
6. Schichtsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, innenliegende Schicht (16) eine Dicke von in etwa 1 mm aufweist.
7. Schichtsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, außenliegende Schicht (17) eine Dicke von mindestens 0,4 mm, insbesondere von mindestens 0,8 mm, aufweist.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (18) eine Dicke von mindestens 0,1 mm, insbesondere von mindestens 0,3 mm, aufweist.
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bauteil (1 1) und dem Einlaufbelag (13) eine Haftschicht (19) angeordnet ist, wobei die Haftschicht (19) zwischen der ersten, innenliegenden Schicht (16) und dem Bauteil (1 1) angeordnet ist.
10. Schichtsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (19) metallisch ausgeführt ist, insbesondere aus einer Nickel- Aluminium-Legierung oder aus einem MCrAlY-Werkstoff.
1 1. Schichtsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht ( 19) eine Dicke von 0, 1 mm bis 0,5 mm, insbesondere von 0, 15 mm bis 0,3 mm, aufweist.
12. Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem umlaufenden Rotor (10), mit einem den Rotor (10) umgebenden Stator (1 1) und mit einem Einlaufbelag (13), wobei der Einlaufbelag (13) bereichsweise auf dem Stator (1 1) zur Dichtung zwischen Rotor (10) und Stator (1 1) aufgebracht ist und ein Einlaufen des Rotors (10) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) Teil eines Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1 1 ist.
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