WO2013026870A1 - Turbomachine comprising a coated rotor blade tip and a coated inner housing - Google Patents

Turbomachine comprising a coated rotor blade tip and a coated inner housing Download PDF

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WO2013026870A1
WO2013026870A1 PCT/EP2012/066326 EP2012066326W WO2013026870A1 WO 2013026870 A1 WO2013026870 A1 WO 2013026870A1 EP 2012066326 W EP2012066326 W EP 2012066326W WO 2013026870 A1 WO2013026870 A1 WO 2013026870A1
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blade
blade tip
oxide
turbomachine
housing
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Xin-hai LI
Peter Carlsson
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • F01D11/122—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 with erodable or abradable material
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/20—Oxide or non-oxide ceramics
    • F05D2300/21—Oxide ceramics
    • F05D2300/2118—Zirconium oxides

Definitions

  • the invention relates to a blade for a flow ⁇ machine and a turbomachine with the rotor blade.
  • a turbomachine in particular a gas turbine, in Axi albauweise has a compressor and a turbine. So ⁇ well in the compressor and in the turbine blades are used, there are distinguished fixed vanes and rotating blades.
  • the rotor of the gas turbine has compressor blade rows in the compressor and turbine blade rows in the turbine compressor. Between the compressor blade rows and the inner contour of the housing of the compressor, a radial gap is provided. In an analogous manner, a radial gap is also provided between the turbine blade rows and the inner contour of the housing of the turbine. To maximize the efficiency of Strö ⁇ tion machine to achieve, it is desirable that radial ⁇ column to keep as small as possible to all operating times.
  • the radial gaps change over time.
  • the radial gaps change when changing from part-load operation to full ⁇ load operation of the gas turbine.
  • the temporal change of the Ra dialspalte is the result of different thermal inertia behavior of the individual components of the compressor and the turbine, in particular the rotor, the compressor blade rows, the turbine blade rows, the compressor housing and the turbine housing.
  • the time Liehe change the radial gap is caused by the centrifugal force ⁇ expansion of the blade rows, the transverse contraction of the rotor, a possible play in the thrust bearing of the rotor, egg ner possibly occurring ovalization of the housing due of assembly-related bias and uneven heating of the housing.
  • the housing can be provided on its inside with an abradable layer, which can also act as a thermal barrier for the housing.
  • an abradable layer which can also act as a thermal barrier for the housing.
  • Kings ⁇ NEN be determined by hot gas both at the blade tips as well as on the housing after the operation of the gas turbine in the turbine rubbings and oxidation damage.
  • the abrasions increase the radial gap, whereby the efficiency of the gas turbine is reduced.
  • Zirkoniumbasis is coated, the layer has a plurality of macrocracks.
  • a Hyb ⁇ rid MUST for use in high temperature applications is known that a ceramic insulating layer, which is characterized by a columnar structure and has a ratio Leitfä ⁇ ability / thickness of less than 2000 W / m 2 K, and one with Having the insulating layer associated structural ceramic layer. It is described in US 2008/0219835 Al Gasturbi ⁇ ne, which has a blade, which is coated at its radially inner tip with a friable material, and a tip disposed adjacent to the seal with a abreibenden coating.
  • an air seal comprising a substrate, a formed on the substrate layer of aluminum oxide, an applied on the alumina layer erosion resistant Kera ⁇ mikmaterial and an applied on the erosion-resistant ceramic Mate ⁇ rial abradable ceramic material, the abradable and the erosion resistant Keramikmate ⁇ rial have different compositions.
  • a seal for a gas turbine engine is described, wherein the seal on the housing of the engine has the show ⁇ felspitzen opposing sealing surfaces, the an amphoteric high temperature oxide matrix, a phosphate binder, a stabilizer and a filler ge ⁇ forms are.
  • the object of the invention is to provide a blade and a Strö ⁇ tion machine, which has the blade and has a high efficiency with a long life of the rotor blade.
  • the object is achieved with the features of claim 1 ge ⁇ triggers. Preferred embodiments thereof are specified in the further claims.
  • the turbomachine according to the invention has a rotor with an abradable blade tip coating which is arranged on the blade tip and comprises a material which is zirconium (IV) oxide stabilized with 2 to 12% by mass of yttrium (III) oxide. Characterized in that the blade tip coating is abradable, it is possible that only to be kept a reduced radial ⁇ gap between the blade tip and the radial inner side of the housing of the flow machine needs. 2 to 12 weight percent of yttrium (III) oxide stable ized zirconium (IV) oxide advantageously has a good Ab ⁇ rubbing behavior, which means that the material removal in egg ⁇ nem rubbing of the blade tip is small to the housing and the radial gap with a small extent can be maintained.
  • the blade tip coating acts as a thermal insulation for the rotor blade, thereby ⁇ advantageous way results in a long lifetime of the rotor blade.
  • the material is preferably 6 to 8 percent by weight Yttri ⁇ (III) oxide stabilized zirconium (IV) oxide.
  • Preferred ⁇ reasonably is between the blade tip and the Schaufelspit- zenbe Anlagenung a metallic adhesion promoter layer reasonable order, with which the blade tip coating adheres to the blade tip.
  • the fact that the Schaufelspitzenbe ⁇ coating is adhered to the blade tip with a metallic adhesive layer, there is a good connection of the blade tip coating to the blade tip. Due to the good connection, flaking off or chipping off of the blade tip coating is prevented, as a result of which the service life of the blade tip coating during operation of the turbomachine is advantageously long.
  • the primer layer is preferably made of such a material that the blade is protected against oxidation and / or corrosion.
  • the blade tip coating extends partially or completely over the blade of the blade.
  • the rotor blades in a turbine blade row of a gas turbine which are arranged downstream of the combustion chamber of the gas turbine, are exposed to a hot gas having a temperature of over 1000 ° C. Because of that
  • Bonding agent layer is made of the material with which the blade tip is protected against oxidation and / or corrosion, the Laufnaufein have even with this strong thermal stress advantageously a long service life.
  • the blade tip coating acts as a thermal insulation for the blade, resulting in a lower thermal expansion of the blade, whereby the radial gap needs to be provided only with a small extension and thus advantageously results in a high efficiency of the turbomachine.
  • the turbomachine according to the invention has the blade, wherein the blade is arranged in the housing of the Strömungsma ⁇ machine and between the blade tip and the radially inner side of the housing, the radial gap is formed.
  • a broaching ⁇ bare abrasive layer is directly adjacent to the blade tip on the radially inner side of the housing which 20 to 50 mass ytterbium (III) oxide stabilized zirconium (IV) oxide has sen percent, in particular 32 to 34 mass%.
  • ytterbium (III) oxide-stabilized zirconium (IV) oxide has a good abrasion resistance with 2 to 12 weight percent of yttrium (III) oxide stabilized zirco nium ⁇ (IV) oxide.
  • the good abrasion behavior results in a contact of the blade tip coating and the abrasion layer during operation of the turbomachine a clotting ⁇ ger material removal of both the blade tip coating and the abrasion layer. Due to the low material removal of the radial gap is narrow, which advantageously results in the efficiency of the turbomachine as high.
  • the abrasion layer acts as a thermal Iso ⁇ lation for the housing, which advantageously results in a long life for the housing.
  • the thermal Iso ⁇ lations Sign the abrasive layer results in a low ⁇ re thermal expansion of the housing, whereby the radial gap can be kept small and advantageous to the efficiency of the turbomachine is high. Furthermore, resulting from the thermal insulation effect of the abrasion layer advantageously reduced thermal losses by politicianslei ⁇ tion.
  • the radial extensions of the blade tip coating and of the adhesion promoter layer are preferably selected such that when the maximum permissible abrasion is reached, the blade tip coating is completely removed, so that the adhesion promoter layer is exposed at the blade tip.
  • the adhesive layer covers the blade tip even after reaching the maximum permissible wear of the blade tip is advantageous even after reaching the maximum zuläs ⁇ sigen abrasion against oxidation and / or corrosion-protected.
  • the radial extension of the abrasive layer is preferably selected so that the blade tip fully Rsdialinnenseite immediately adjacent the housing of the abrasive layer upon reaching the maximum admissible wear ⁇ gen is constantly covered. Because the abrasion layer, after reaching the maximum permissible abrasion, covers the immediately adjacent radially inner side of the housing, this region is advantageously thermally insulated by the abrasion layer.
  • the radially inner side of the housing is preferably formed by a plurality of heat shield segments.
  • the blades are preferably installed in the first and / or second turbine blade row.
  • the abrasi ⁇ ons slaughter preferably immediately adjacent to the blade ⁇ tips of the first and second turbine blade rows disposed on the radially inner side of the housing. Because the heat ⁇ stretch of the blades and the burden on oxidation and corrosion in the first and second turbine blade row is the highest, and blades according to the invention, the abrasive layer may advantageously be provided in this Tur ⁇ binenlaufschaufelschsch.
  • the turbomachine is preferably an axial turbine of a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the turbomachine with the blade before the start of operation of the turbomachine and Figure 2 shows the longitudinal section of the turbomachine of Figure 1 after the start of operation and
  • FIG 3 shows the longitudinal section of the turbomachine after a ge ⁇ know operating time of the turbomachine under full load.
  • a running blade 1 of a turbomachine has a blade root 4, a blade root plate 3, an airfoil 2 and a blade tip 5 up.
  • the blade root 4 has a Tan ⁇ nenbaumprofil in longitudinal section, with which the blade 1 can be mounted in a rotor of the turbomachine.
  • the blade root 4 has a flat blade foot plate 3.
  • the blade 2 and the blade tip 5 are arranged, wherein the blade tip 5 is the radially outwardly directed portion of the blade 1, while the blade 2 is the remaining portion radially outward of Schaufelfuß- plate 3.
  • a blade tip coating 8 is applied to the blade tip 5, with an adhesion promoter layer 9 being introduced between the blade tip coating 8 and the blade tip 5.
  • a housing 12 Radially outwardly to the blade 1, a housing 12 is arranged at the radi- aler inner side, in the immediate vicinity of the scene ⁇ felspitze 5 a heat shield segment 6 is attached, whose axial extension is longer than the axial extent of the blade tip. 5
  • an abrasion layer 7 is attached to a Radialinnensei- te 11, to which the blade 1 can grind during operation of the turbomachine.
  • an Ra ⁇ dialspalt 10th As can be seen from FIG.
  • the radial gap 10 is large before the start of the operation of the turbomachine and the abrasion layer 7 has the same thickness over the entire axial length.
  • the rotor blade 1 expands in the radial direction, so that the blade tip coating 8 abuts against the radially inner side 11 of the abrasion layer 7.
  • material is removed from both the blade tip coating 8 and the abrasion layer 7.
  • Characterized the thickness of the Schaufelspitzenbeschich- decreases tung 8 and the thickness of the abrasive layer 7 in the friction ⁇ area compared to Figure 1.
  • the radial gap 10 is narrower in comparison with FIG. 1
  • the blade tip coating 8 is, according to a certain completely eroded during operation under full load.
  • the adhesive layer 9 is exposed and the radial gap 10 is similar ⁇ narrow as in FIG. 2

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Abstract

The invention relates to a rotor blade for a turbomachine, comprising an abradable blade tip coating (8) which has a material consisting of zirconium(IV) oxide stabilized with 2 to 12 mass percent of yttrium(III) oxide. The housing (12) located opposite the rotor blade comprises an abradable abrasive layer (7) which comprises zirconium(IV) oxide stabilized with 20 to 50 mass percent of ytterbium(III) oxide.

Description

Beschreibung description
STRÖMUNGSMASCHINE MIT BESCHICHTETER LAUFSCHAUFELSPITZE UND BESCHICHTETEM INNENGEHÄUSE FLOW MACHINE WITH COATED RUNNING SHAFT TIP AND COATED INNER HOUSING
Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Strömungs¬ maschine und eine Strömungsmaschine mit der Laufschaufei . The invention relates to a blade for a flow ¬ machine and a turbomachine with the rotor blade.
Eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, in Axi albauweise weist einen Verdichter und eine Turbine auf. So¬ wohl im Verdichter als auch in der Turbine kommen Schaufeln zum Einsatz, unterschieden werden dabei fest stehende Leitschaufeln und rotierende Laufschaufeln . Der Rotor der Gastur bine weist in dem Verdichter Verdichterlaufschaufelreihen un in der Turbine Turbinenlaufschaufelreihen auf. Zwischen den Verdichterlaufschaufelreihen und der Innenkontur des Gehäuse des Verdichters ist ein Radialspalt vorgesehen. In analoger Weise ist zwischen den Turbinenlaufschaufelreihen und der In nenkontur des Gehäuses der Turbine ebenfalls ein Radialspalt vorgesehen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Strö¬ mungsmaschine zu erzielen ist es erstrebenswert, die Radial¬ spalte zu allen Betriebszeitpunkten möglichst klein zu halten . A turbomachine, in particular a gas turbine, in Axi albauweise has a compressor and a turbine. So ¬ well in the compressor and in the turbine blades are used, there are distinguished fixed vanes and rotating blades. The rotor of the gas turbine has compressor blade rows in the compressor and turbine blade rows in the turbine compressor. Between the compressor blade rows and the inner contour of the housing of the compressor, a radial gap is provided. In an analogous manner, a radial gap is also provided between the turbine blade rows and the inner contour of the housing of the turbine. To maximize the efficiency of Strö ¬ tion machine to achieve, it is desirable that radial ¬ column to keep as small as possible to all operating times.
Beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine verändern sich jedoch die Radialspalte über die Zeit. Außerdem verändern sich die Radialspalte beim Wechsel vom Teillastbetrieb zum Voll¬ lastbetrieb der Gasturbine. Die zeitliche Veränderung der Ra dialspalte ist die Folge von unterschiedlichem thermischem Trägheitsverhalten der einzelnen Komponenten des Verdichters und der Turbine, insbesondere des Rotors, der Verdichterlauf schaufelreihen, der Turbinenlaufschaufelreihen, des Verdichtergehäuses und des Turbinengehäuses. Außerdem wird die zeit liehe Veränderung der Radialspalte verursacht von der Flieh¬ kraftdehnung der Laufschaufelreihen, der Querkontraktion des Rotors, einem eventuellen Spiel im Axiallager des Rotors, ei ner eventuell auftretenden Ovalisierung des Gehäuses infolge von montagebedingter Vorspannung und ungleichmäßiger Erwärmung des Gehäuses. When starting and stopping the gas turbine, however, the radial gaps change over time. In addition, the radial gaps change when changing from part-load operation to full ¬ load operation of the gas turbine. The temporal change of the Ra dialspalte is the result of different thermal inertia behavior of the individual components of the compressor and the turbine, in particular the rotor, the compressor blade rows, the turbine blade rows, the compressor housing and the turbine housing. In addition, the time Liehe change the radial gap is caused by the centrifugal force ¬ expansion of the blade rows, the transverse contraction of the rotor, a possible play in the thrust bearing of the rotor, egg ner possibly occurring ovalization of the housing due of assembly-related bias and uneven heating of the housing.
Um die Radialspalte abzudichten, kommen verschiedene Methoden in Frage, insbesondere kann das Gehäuse an seiner Innenseite mit einer abreibbaren Schicht versehen werden, die auch als thermische Barriere für das Gehäuse wirken kann. Jedoch kön¬ nen nach dem Betrieb der Gasturbine in der Turbine Abreibungen und Oxidationsschäden durch heißes Gas sowohl an den Schaufelspitzen als auch am Gehäuse festgestellt werden. Die Abreibungen vergrößern den Radialspalt, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine reduziert ist. In order to seal the radial gaps, various methods come into question, in particular, the housing can be provided on its inside with an abradable layer, which can also act as a thermal barrier for the housing. However, Kings ¬ NEN be determined by hot gas both at the blade tips as well as on the housing after the operation of the gas turbine in the turbine rubbings and oxidation damage. The abrasions increase the radial gap, whereby the efficiency of the gas turbine is reduced.
In DE 695 09 334 T2 ist eine Schaufel beschrieben, wobei die Schaufelspitze der Schaufel mit einer Lage eines Oxids aufIn DE 695 09 334 T2, a blade is described, wherein the blade tip of the blade with a layer of an oxide
Zirkoniumbasis beschichtet ist, wobei die Lage eine Mehrzahl an Makrosprüngen aufweist. Aus DE 602 24 691 T2 ist eine Hyb¬ ridstruktur zur Verwendung bei Hochtemperaturanwendungen bekannt, welche eine keramische Isolierschicht, die durch eine Säulenstruktur charakterisiert ist und ein Verhältnis Leitfä¬ higkeit/Dicke von kleiner als 2000 W/m2K aufweist, und eine mit der Isolierschicht verbundenen strukturellen keramischen Schicht aufweist. Es ist in US 2008/0219835 AI eine Gasturbi¬ ne beschrieben, die eine Schaufel, die an ihrer radial innen liegenden Spitze mit einem zerreibbaren Material beschichtet ist, und eine zu der Spitze benachbart angeordnete Dichtung mit einer abreibenden Beschichtung aufweist. In DE 699 26 838 T2 ist eine Luftdichtung beschrieben, die ein Substrat, eine über dem Substrat gebildete Lage aus Aluminiumoxid, ein auf der Aluminiumoxidlage aufgebrachtes erosionsbeständiges Kera¬ mikmaterial und ein auf dem erosionsbeständigen Keramikmate¬ rial aufgebrachtes abradierbaren Keramikmaterial aufweist, wobei das abradierbare und das erosionbeständige Keramikmate¬ rial unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Aus DE 29 37 463 ist eine Dichtung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, wobei die Dichtung am Gehäuse des Triebwerks den Schau¬ felspitzen gegenüberliegende Dichtflächen aufweist, die aus einer amphoterischen hochwarmfesten Oxidmatrix, einem Phosphatbindemittel, einem Stabilisierer und einem Füllstoff ge¬ bildet sind. Aufgabe der Erfindung ist es eine Laufschaufel und eine Strö¬ mungsmaschine zu schaffen, die die Laufschaufel aufweist und einen hohen Wirkungsgrad bei einer langen Lebensdauer der Laufschaufei hat. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge¬ löst. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben. Zirkoniumbasis is coated, the layer has a plurality of macrocracks. From DE 602 24 691 T2 a Hyb ¬ ridstruktur for use in high temperature applications is known that a ceramic insulating layer, which is characterized by a columnar structure and has a ratio Leitfä ¬ ability / thickness of less than 2000 W / m 2 K, and one with Having the insulating layer associated structural ceramic layer. It is described in US 2008/0219835 Al Gasturbi ¬ ne, which has a blade, which is coated at its radially inner tip with a friable material, and a tip disposed adjacent to the seal with a abreibenden coating. In DE 699 26 838 T2 an air seal is disclosed comprising a substrate, a formed on the substrate layer of aluminum oxide, an applied on the alumina layer erosion resistant Kera ¬ mikmaterial and an applied on the erosion-resistant ceramic Mate ¬ rial abradable ceramic material, the abradable and the erosion resistant Keramikmate ¬ rial have different compositions. From DE 29 37 463 a seal for a gas turbine engine is described, wherein the seal on the housing of the engine has the show ¬ felspitzen opposing sealing surfaces, the an amphoteric high temperature oxide matrix, a phosphate binder, a stabilizer and a filler ge ¬ forms are. The object of the invention is to provide a blade and a Strö ¬ tion machine, which has the blade and has a high efficiency with a long life of the rotor blade. The object is achieved with the features of claim 1 ge ¬ triggers. Preferred embodiments thereof are specified in the further claims.
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist eine Laufschau- fei mit einer abreibbaren Schaufelspitzenbeschichtung auf, welche an der Schaufelspitze angeordnet ist und ein Material aufweist, welches mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( III ) - oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid ist. Dadurch, dass die Schaufelspitzenbeschichtung abreibbar ist, ist es ermöglicht, dass lediglich ein verminderter Radial¬ spalt zwischen der Schaufelspitze und der Radialinnenseite des Gehäuses der Strömungsmaschine vorgehalten zu werden braucht. Mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( I I I ) -oxid stabi- lisiertes Zirkonium ( IV) -oxid hat vorteilhaft ein gutes Ab¬ riebverhalten, was bedeutet, dass der Materialabtrag bei ei¬ nem Anstreifen der Schaufelspitze an das Gehäuse gering ist und der Radialspalt mit einer kleinen Erstreckung aufrecht erhalten werden kann. Durch den kleinen Radialspalt ergibt sich vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine. Ferner wirkt die Schaufelspitzenbeschichtung als thermische Isolierung für die Laufschaufei , wodurch sich vorteil¬ haft eine lange Lebensdauer der Laufschaufei ergibt. Das Material ist bevorzugt mit 6 bis 8 Massenprozent Yttri¬ um ( III ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid . Bevorzugter¬ maßen ist zwischen der Schaufelspitze und der Schaufelspit- zenbeschichtung eine metallische Haftvermittlerschicht ange- ordnet, mit der die Schaufelspitzenbeschichtung an der Schaufelspitze anhaftet. Dadurch, dass die Schaufelspitzenbe¬ schichtung mit einer metallischen Haftvermittlerschicht an die Schaufelspitze angehaftet ist, ergibt sich eine gute An- bindung der Schaufelspitzenbeschichtung an die Schaufelspitze. Durch die gute Anbindung wird ein Abblättern oder ein Absplittern der Schaufelspitzenbeschichtung unterbunden, wodurch vorteilhaft die Lebensdauer der Schaufelspitzenbe¬ schichtung im Betrieb der Strömungsmaschine lang ist. The turbomachine according to the invention has a rotor with an abradable blade tip coating which is arranged on the blade tip and comprises a material which is zirconium (IV) oxide stabilized with 2 to 12% by mass of yttrium (III) oxide. Characterized in that the blade tip coating is abradable, it is possible that only to be kept a reduced radial ¬ gap between the blade tip and the radial inner side of the housing of the flow machine needs. 2 to 12 weight percent of yttrium (III) oxide stable ized zirconium (IV) oxide advantageously has a good Ab ¬ rubbing behavior, which means that the material removal in egg ¬ nem rubbing of the blade tip is small to the housing and the radial gap with a small extent can be maintained. Due to the small radial gap advantageously results in a high efficiency of the turbomachine. Further, the blade tip coating acts as a thermal insulation for the rotor blade, thereby ¬ advantageous way results in a long lifetime of the rotor blade. The material is preferably 6 to 8 percent by weight Yttri ¬ (III) oxide stabilized zirconium (IV) oxide. Preferred ¬ reasonably is between the blade tip and the Schaufelspit- zenbeschichtung a metallic adhesion promoter layer reasonable order, with which the blade tip coating adheres to the blade tip. The fact that the Schaufelspitzenbe ¬ coating is adhered to the blade tip with a metallic adhesive layer, there is a good connection of the blade tip coating to the blade tip. Due to the good connection, flaking off or chipping off of the blade tip coating is prevented, as a result of which the service life of the blade tip coating during operation of the turbomachine is advantageously long.
Die Haftvermittlerschicht ist bevorzugt aus einem derartigen Material hergestellt, dass die Laufschaufel gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist. Bevorzugtermaßen erstreckt sich die Schaufelspitzenbeschichtung teilweise oder vollstän- dig über das Schaufelblatt der Laufschaufel . The primer layer is preferably made of such a material that the blade is protected against oxidation and / or corrosion. Preferably, the blade tip coating extends partially or completely over the blade of the blade.
Insbesondere die Laufschaufein einer Turbinenlaufschaufelrei¬ he einer Gasturbine, die stromabwärts der Brennkammer der Gasturbine angeordnet sind, sind einem heißen Gas mit einer Temperatur von über 1000 °C ausgesetzt. Dadurch, dass dieIn particular, the rotor blades in a turbine blade row of a gas turbine, which are arranged downstream of the combustion chamber of the gas turbine, are exposed to a hot gas having a temperature of over 1000 ° C. Because of that
Haftvermittlerschicht aus dem Material hergestellt ist, mit dem die Schaufelspitze gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist, haben die Laufschaufein selbst bei dieser starken thermischen Beanspruchung vorteilhaft ein lange Lebens- dauer. Die Schaufelspitzenbeschichtung wirkt als thermische Isolierung für die Laufschaufel , woraus sich eine geringere Wärmeausdehnung der Schaufel ergibt, wodurch der Radialspalt lediglich mit einer geringen Erstreckung vorgesehen zu werden braucht und sich damit vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine ergibt. Bonding agent layer is made of the material with which the blade tip is protected against oxidation and / or corrosion, the Laufnaufein have even with this strong thermal stress advantageously a long service life. The blade tip coating acts as a thermal insulation for the blade, resulting in a lower thermal expansion of the blade, whereby the radial gap needs to be provided only with a small extension and thus advantageously results in a high efficiency of the turbomachine.
Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist die Laufschaufel auf, wobei die Laufschaufel in dem Gehäuse der Strömungsma¬ schine angeordnet ist und zwischen der Schaufelspitze und der Radialinnenseite des Gehäuses der Radialspalt ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist an der Schaufelspitze unmittelbar benachbart an der Radialinnenseite des Gehäuses eine abreib¬ bare Abrasionsschicht angeordnet, welche mit 20 bis 50 Mas- senprozent, insbesondere 32 bis 34 Massenprozent, Ytterbi- um ( III ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid aufweist. Mit 20 bis 50 Massenprozent Ytterbium ( I I I ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid hat ein gutes Abriebverhalten mit mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( I I I ) -oxid stabilisiertem Zirko¬ nium ( IV) -oxid . Durch das gute Abriebverhalten ergibt sich bei einem Kontakt von der Schaufelspitzenbeschichtung und der Abrasionsschicht im Betrieb der Strömungsmaschine ein gerin¬ ger Materialabtrag von sowohl der Schaufelspitzenbeschichtung als auch von der Abrasionsschicht. Durch den geringen Materialabtrag ist der Radialspalt schmal ausgebildet, wodurch sich vorteilhaft der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine als hoch ergibt. Ferner wirkt die Abrasionsschicht als thermische Iso¬ lierung für das Gehäuse, wodurch sich vorteilhaft ein lange Lebensdauer für das Gehäuse ergibt. Durch die thermische Iso¬ lationswirkung der Abrasionsschicht ergibt sich eine geringe¬ re Wärmeausdehnung des Gehäuses, wodurch der Radialspalt klein gehalten werden kann und vorteilhaft der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine hoch ist. Des Weiteren ergeben sich durch die thermische Isolationswirkung der Abrasionsschicht vorteilhaft reduzierte thermische Verluste durch Wärmelei¬ tung . The turbomachine according to the invention has the blade, wherein the blade is arranged in the housing of the Strömungsma ¬ machine and between the blade tip and the radially inner side of the housing, the radial gap is formed. According to the invention a broaching ¬ bare abrasive layer is directly adjacent to the blade tip on the radially inner side of the housing which 20 to 50 mass ytterbium (III) oxide stabilized zirconium (IV) oxide has sen percent, in particular 32 to 34 mass%. With 20 to 50 mass percent of ytterbium (III) oxide-stabilized zirconium (IV) oxide has a good abrasion resistance with 2 to 12 weight percent of yttrium (III) oxide stabilized zirco nium ¬ (IV) oxide. The good abrasion behavior results in a contact of the blade tip coating and the abrasion layer during operation of the turbomachine a clotting ¬ ger material removal of both the blade tip coating and the abrasion layer. Due to the low material removal of the radial gap is narrow, which advantageously results in the efficiency of the turbomachine as high. Furthermore, the abrasion layer acts as a thermal Iso ¬ lation for the housing, which advantageously results in a long life for the housing. The thermal Iso ¬ lationswirkung the abrasive layer results in a low ¬ re thermal expansion of the housing, whereby the radial gap can be kept small and advantageous to the efficiency of the turbomachine is high. Furthermore, resulting from the thermal insulation effect of the abrasion layer advantageously reduced thermal losses by Wärmelei ¬ tion.
Die Radialerstreckungen der Schaufelspitzenbeschichtung und der Haftvermittlerschicht sind bevorzugt so gewählt, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die Schaufel- spitzenbeschichtung vollständig abgetragen ist, so dass die Haftvermittlerschicht an der Schaufelspitze freigelegt ist. Dadurch, dass die Haftvermittlerschicht die Schaufelspitze auch nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs bedeckt, ist die Schaufelspitze auch nach Erreichen des maximal zuläs¬ sigen Abriebs vorteilhaft vor Oxidation und/oder Korrosion geschützt . Weiterhin ist die Radialerstreckung der Abrasionsschicht bevorzugt so gewählt, dass beim Erreichen des maximal zulässi¬ gen Abriebs die der Schaufelspitze unmittelbar benachbarte Rsdialinnenseite des Gehäuses von der Abrasionsschicht voll- ständig bedeckt ist. Dadurch, dass die Abrasionsschicht nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die unmittelbar benachbarte Radialinnenseite des Gehäuses bedeckt, ist dieser Bereich durch die Abrasionsschicht vorteilhaft thermisch iso- liert. The radial extensions of the blade tip coating and of the adhesion promoter layer are preferably selected such that when the maximum permissible abrasion is reached, the blade tip coating is completely removed, so that the adhesion promoter layer is exposed at the blade tip. Characterized in that the adhesive layer covers the blade tip even after reaching the maximum permissible wear of the blade tip is advantageous even after reaching the maximum zuläs ¬ sigen abrasion against oxidation and / or corrosion-protected. Furthermore, the radial extension of the abrasive layer is preferably selected so that the blade tip fully Rsdialinnenseite immediately adjacent the housing of the abrasive layer upon reaching the maximum admissible wear ¬ gen is constantly covered. Because the abrasion layer, after reaching the maximum permissible abrasion, covers the immediately adjacent radially inner side of the housing, this region is advantageously thermally insulated by the abrasion layer.
Die Radialinnenseite des Gehäuses ist bevorzugt von einer Mehrzahl an Hitzeschildsegmenten gebildet. Bevorzugtermaßen sind die Laufschaufeln in der ersten und/oder zweiten Turbi- nenlaufschaufelreihe eingebaut. Des Weiteren ist die Abrasi¬ onsschicht bevorzugt unmittelbar benachbart an den Schaufel¬ spitzen der ersten und zweiten Turbinenlaufschaufelreihen, an der Radialinnenseite des Gehäuses angeordnet. Weil die Wärme¬ ausdehnung der Laufschaufeln und die Belastung durch Oxidati- on und Korrosion in der ersten und zweiten Turbinenlaufschaufelreihe am höchsten ist, können die erfindungsgemäßen Laufschaufeln und die Abrasionsschicht vorteilhaft in diesen Tur¬ binenlaufschaufelreihen vorgesehen werden. Die Strömungsmaschine ist bevorzugt eine Axialturbine einer Gasturbine. The radially inner side of the housing is preferably formed by a plurality of heat shield segments. The blades are preferably installed in the first and / or second turbine blade row. Furthermore, the abrasi ¬ onsschicht preferably immediately adjacent to the blade ¬ tips of the first and second turbine blade rows disposed on the radially inner side of the housing. Because the heat ¬ stretch of the blades and the burden on oxidation and corrosion in the first and second turbine blade row is the highest, and blades according to the invention, the abrasive layer may advantageously be provided in this Tur ¬ binenlaufschaufelreihen. The turbomachine is preferably an axial turbine of a gas turbine.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laufschaufel und der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: In the following, a preferred embodiment of the blade according to the invention and the turbomachine according to the invention will be explained with reference to the accompanying schematic drawings. It shows:
Figur 1 einen Längsschnitt der Strömungsmaschine mit der Laufschaufel vor Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine und Figur 2 den Längsschnitt der Strömungsmaschine aus Figur 1 nach Beginn des Betriebes und 1 shows a longitudinal section of the turbomachine with the blade before the start of operation of the turbomachine and Figure 2 shows the longitudinal section of the turbomachine of Figure 1 after the start of operation and
Figur 3 den Längsschnitt der Strömungsmaschine nach einer ge¬ wissen Betriebsdauer der Strömungsmaschine unter Volllast. 3 shows the longitudinal section of the turbomachine after a ge ¬ know operating time of the turbomachine under full load.
Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Lauf¬ schaufel 1 einer Strömungsmaschine einen Schaufelfuß 4, eine Schaufelfußplatte 3, ein Schaufelblatt 2 und eine Schaufel- spitze 5 auf. Der Schaufelfuß 4 hat im Längsschnitt ein Tan¬ nenbaumprofil, mit welchem die Schaufel 1 in einem Rotor der Strömungsmaschine befestigt werden kann. An seiner radialen Außenseite weist der Schaufelfuß 4 eine flache Schaufelfuß- platte 3 auf. Radial außenseitig an der Schaufelfußplatte 3 sind das Schaufelblatt 2 und die Schaufelspitze 5 angeordnet, wobei die Schaufelspitze 5 der radial außenseitig gerichtete Bereich der Laufschaufel 1 ist, während das Schaufelblatt 2 der verbleibende Bereich radial außenseitig der Schaufelfuß- platte 3 ist. Auf der Schaufelspitze 5 ist eine Schaufelspit- zenbeschichtung 8 angebracht, wobei zwischen der Schaufel- spitzenbeschichtung 8 und der Schaufelspitze 5 eine Haftvermittlerschicht 9 eingebracht ist. Radial außenseitig zu der Laufschaufel 1 ist ein Gehäuse 12 angeordnet, an dessen radi- aler Innenseite, in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Schau¬ felspitze 5 ein Hitzeschildsegment 6 angebracht ist, dessen Axialerstreckung länger als die Axialerstreckung der Schaufelspitze 5 ist. An der Radialinnenseite des Hitzeschildseg¬ ments 6 ist eine Abrasionsschicht 7 mit einer Radialinnensei- te 11 angebracht, an die die Laufschaufel 1 im Betrieb der Strömungsmaschine anschleifen kann. Zwischen der Schaufel- spitzenbeschichtung 8 und der Abrasionsschicht 7 ist ein Ra¬ dialspalt 10 ausgebildet. Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, ist vor dem Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine der Radialspalt 10 groß und die Abrasionsschicht 7 hat über die ganze Axiallänge die gleiche Dicke. Wie es aus Figur 2 ersichtlich ist, dehnt sich nach dem Beginn des Betriebs die Laufschaufel 1 in Radial- richtung aus, so dass die Schaufelspitzenbeschichtung 8 an die Radialinnenseite 11 der Abrasionsschicht 7 anschleift. Dadurch wird Material von sowohl der Schaufelspitzenbeschichtung 8 als auch der von Abrasionsschicht 7 abgetragen. Dadurch verringert sich die Dicke der Schaufelspitzenbeschich- tung 8 und die Dicke der der Abrasionsschicht 7 im Reibungs¬ bereich im Vergleich zu Figur 1. Der Radialspalt 10 ist im Vergleich zu Figur 1 schmaler. Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, ist die Schaufelspitzenbeschichtung 8 nach einer gewis- sen Zeit im Betrieb unter Volllast vollständig abgetragen. Die Haftvermittlerschicht 9 ist freigelegt und der Radial¬ spalt 10 ist ähnlich schmal wie in Figur 2. As can be seen from FIGS. 1 to 3, a running blade 1 of a turbomachine has a blade root 4, a blade root plate 3, an airfoil 2 and a blade tip 5 up. The blade root 4 has a Tan ¬ nenbaumprofil in longitudinal section, with which the blade 1 can be mounted in a rotor of the turbomachine. At its radial outer side, the blade root 4 has a flat blade foot plate 3. Radially on the outside of the blade root plate 3, the blade 2 and the blade tip 5 are arranged, wherein the blade tip 5 is the radially outwardly directed portion of the blade 1, while the blade 2 is the remaining portion radially outward of Schaufelfuß- plate 3. A blade tip coating 8 is applied to the blade tip 5, with an adhesion promoter layer 9 being introduced between the blade tip coating 8 and the blade tip 5. Radially outwardly to the blade 1, a housing 12 is arranged at the radi- aler inner side, in the immediate vicinity of the scene ¬ felspitze 5 a heat shield segment 6 is attached, whose axial extension is longer than the axial extent of the blade tip. 5 On the radial inner side of the Hitzeschildseg ¬ element 6 an abrasion layer 7 is attached to a Radialinnensei- te 11, to which the blade 1 can grind during operation of the turbomachine. Between the bucket tip coating 8 and the abrasive layer 7 is formed an Ra ¬ dialspalt 10th As can be seen from FIG. 1, the radial gap 10 is large before the start of the operation of the turbomachine and the abrasion layer 7 has the same thickness over the entire axial length. As can be seen from FIG. 2, after the start of operation, the rotor blade 1 expands in the radial direction, so that the blade tip coating 8 abuts against the radially inner side 11 of the abrasion layer 7. As a result, material is removed from both the blade tip coating 8 and the abrasion layer 7. Characterized the thickness of the Schaufelspitzenbeschich- decreases tung 8 and the thickness of the abrasive layer 7 in the friction ¬ area compared to Figure 1. The radial gap 10 is narrower in comparison with FIG. 1 As can be seen from FIG. 3, the blade tip coating 8 is, according to a certain completely eroded during operation under full load. The adhesive layer 9 is exposed and the radial gap 10 is similar ¬ narrow as in FIG. 2

Claims

Patentansprüche claims
1. Strömungsmaschine mit mindestens einer Laufschaufel (1), wobei die Laufschaufel (1) in einem Gehäuse (12) der Strö- mungsmaschine angeordnet ist und zwischen der Schaufelspitze (5) und der Radialinnenseite (11) des Gehäuses (12) ein Radi¬ alspalt (10) ausgebildet ist, wobei die Laufschaufel (1) eine abreibbare Schaufelspitzenbeschichtung (8) aufweist, welche an der Schaufelspitze (5) angeordnet ist und ein Material aufweist, welches mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( I I I ) - oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid ist, wobei an der Schaufelspitze (5) unmittelbar benachbart an der Radialinnenseite des Gehäuses eine abreibbare Abrasionsschicht (7) ange¬ ordnet ist, welche mit 20 bis 50 Massenprozent Ytterbi- um ( III ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid aufweist. 1. Turbomachine with at least one blade (1), wherein the blade (1) in a housing (12) of the flow machine is arranged and between the blade tip (5) and the radial inner side (11) of the housing (12) a Radi ¬ formed as a gap (10), wherein the blade (1) has an abradable blade tip coating (8) which is arranged on the blade tip (5) and comprises a material containing zirconium stabilized with 2 to 12 percent by mass yttrium (III) oxide ( IV) oxide, wherein (at the blade tip 5) immediately adjacent to the radial inner side of the housing an abradable abrasive layer (7) is ¬ arranged which oxide stabilized with 20 to 50 mass percent of ytterbium to (III) zirconium (IV) oxide.
2. Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1, wobei das Material mit 6 bis 8 Massenprozent Yttrium ( I I I ) -oxid stabilisiertes Zirko¬ nium ( IV) -oxid ist. 2. Turbomachine according to claim 1, wherein the material with 6 to 8 mass percent of yttrium (III) oxide stabilized Zirko ¬ nium (IV) oxide is.
3. Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Schaufelspitze (5) und der Schaufelspitzenbeschichtung (8) eine metallische Haftvermittlerschicht (9) angeordnet ist, mit der die Schaufelspitzenbeschichtung (8) an der 3. Turbomachine according to claim 1 or 2, wherein between the blade tip (5) and the blade tip coating (8) a metallic adhesion promoter layer (9) is arranged, with which the blade tip coating (8) on the
Schaufelspitze (5) anhaftet. Shovel tip (5) adheres.
4. Strömungsmachine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Haftvermittlerschicht (9) aus einem derartigen Material hergestellt ist, dass die Laufschaufel (1) gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist. 4. Flow machine according to one of claims 1 to 3, wherein the adhesive layer (9) is made of such a material that the blade (1) is protected against oxidation and / or corrosion.
5. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Schaufelspitzenbeschichtung (8) teilweise über das Schaufelblatt (2) der Laufschaufel (1) erstreckt. 5. Turbomachine according to one of claims 1 to 4, wherein the blade tip coating (8) extends partially over the blade (2) of the blade (1).
6. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Schaufelspitzenbeschichtung (8) vollständig über das Schaufelblatt (2) der Laufschaufel (1) erstreckt. 6. Turbomachine according to one of claims 1 to 4, wherein the blade tip coating (8) extends completely over the blade (2) of the blade (1).
7. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abrasions-schicht (7) mit 32 bis 34 Massenprozent Ytter¬ bium ( III ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid aufweist. 7. Turbomachine according to one of claims 1 to 6, wherein the abrasion layer (7) with 32 to 34 mass% Ytter ¬ bium (III) oxide stabilized zirconium (IV) oxide.
8. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Radialerstreckungen der Schaufelspitzenbeschichtung (8) und der Haftvermittlerschicht (9) so gewählt sind, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die Schaufelspitzen- beschichtung (8) vollständig abgetragen ist, so dass die8. Turbomachine according to one of claims 3 to 7, wherein the radial extensions of the blade tip coating (8) and the adhesion promoter layer (9) are selected so that upon reaching the maximum allowable abrasion, the blade tip coating (8) is completely removed, so that the
Haftvermittlerschicht (9) an der Schaufelspitze (5) freige¬ legt ist. Adhesive layer (9) on the blade tip (5) freige ¬ sets is.
9. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Radialerstreckung der Abrasionsschicht (7) so gewählt ist, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die der Schaufelspitze (5) unmittelbar benachbarte Radialinnen¬ seite (11) des Gehäuses von der Abrasionsschicht (7) voll¬ ständig bedeckt ist. 9. Turbomachine according to one of claims 1 to 8, wherein the radial extent of the abrasion layer (7) is selected so that when reaching the maximum allowable abrasion of the blade tip (5) immediately adjacent Radialinnen ¬ page (11) of the housing of the Abrasionsschicht ( 7) is completely covered ¬ constantly.
10. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wo¬ bei die Radialinnenseite (11) des Gehäuses von einer Mehrzahl an Hitzeschildsegmenten (6) gebildet ist. 10. Turbomachine according to one of claims 1 to 9, where ¬ in the radial inner side (11) of the housing of a plurality of heat shield segments (6) is formed.
11. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wo¬ bei die Laufschaufein (1) in der ersten und/oder zweiten Turbinenlaufschaufelreihe eingebaut sind. 11. Turbomachine according to one of claims 1 to 10, where ¬ in the Laufschaufein (1) are installed in the first and / or second turbine blade row.
12. Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wo- bei Strömungsmaschine eine Axialturbine einer Gasturbine ist. 12. Turbomachine according to one of claims 1 to 11, wherein turbomachine is an axial turbine of a gas turbine.
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