WO2017148916A1 - Layer system having a coating recess on cooling air holes of turbine blades - Google Patents
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Abstract
The spallation behavior of a TBC is significantly improved by means of a special recess around cooling air holes (11`, 11``,...), in which an enveloping recess (13`, 13``) and a strip-shaped depression (8), which connects the enveloping recesses to each other, are provided.
Description
Schichtsystem mit Beschichtungsaussparung an Kühlluftlöchern von Turbinenschaufeln Coating system with coating recess on cooling air holes of turbine blades
Die Erfindung betrifft die Aussparung einer Beschichtung um Kühlluftlöcher bei Turbinenschaufeln. The invention relates to the recess of a coating around cooling air holes in turbine blades.
Die Leit- und Laufschaufeln der ersten Turbinenstufen von Gasturbinen sind aufgrund der hohen thermischen Belastung in der Regel mit einer thermischen Schutzschicht (Thermal The guide and moving blades of the first turbine stages of gas turbines are due to the high thermal load usually with a thermal protection layer (thermal
Barrier Coating = TBC) versehen. Nach dem Beschichten der Turbinenschaufel mit der TBC müssen die vormals eingebrachten Kühlluftbohrungen erneut geöffnet bzw. erstmalig gebohrt wer¬ den. Durch das angewendete Bohrverfahren ist es bisher unver- meidlich, dass in die Randbereiche der jeweiligen Öffnungen Mikrorisse initiiert werden. Diese Mikrorisse können der Startpunkt für TBC-Abplatzungen sein und sollten somit nach Abschluss der Schaufelfertigung möglichst gar nicht mehr vorhanden sein. Barrier Coating = TBC) provided. After coating the turbine blade with the TBC, the previously introduced cooling air holes have reopened and first drilled ¬ to. Due to the drilling method used, it has so far been unavoidable that microcracks are initiated in the edge regions of the respective openings. These micro-cracks may be the starting point for TBC flaking and should therefore no longer be present after completion of the blade production.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein System aufzuzeigen, das die Abplatzung der TBC um die Kühlluftlöcher herum verhindert . Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß An¬ spruch 1. It is therefore an object of the invention to provide a system which prevents the chipping of the TBC around the cooling air holes. The object is achieved by a layer system according to claim 1. An ¬ .
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen. The subclaims list further advantageous measures which can be combined with one another as desired in order to achieve further advantages.
Es zeigen die Figuren 1, 2 Ausführungsbeispiele der 1, 2 embodiments of the
Erfindung . Als Erfindung soll hier ein optimales Muster für eine TBC-Invention. As an invention here is an optimal pattern for a TBC
Aussparung aufgezeigt werden. Das Ziel ist weiterhin, Mikrorisse in der TBC um Kühlluftbohrungen gänzlich zu vermeiden.
Das Muster kann sowohl vor dem Aufbringen der TBC mittels einer Markierung aufgebracht werden, sodass die Schaufel an diesen Stellen erst gar nicht mit einer TBC beschichtet wird oder es wird nachträglich mit einer Negativmaske beklebt und anschließend mechanisch bearbeitet, sodass die TBC dann nur an diesen Stellen wieder abgetragen wird, z.B. durch Recess be shown. The goal is still to avoid microcracks in the TBC to eliminate cooling air holes. The pattern can be applied both before applying the TBC by means of a marker, so that the blade is not coated at these points even with a TBC or it is subsequently pasted with a negative mask and then mechanically processed, so that the TBC then only at these points is removed again, for example by
Sandstrahlen . Sandblasting.
Die optimale Aussparung besteht aus folgenden geometrischen Formen : The optimal recess consists of the following geometric shapes:
1. Kreisflächen oder Ovalflächen um die Kühlluftlöcher; 1. Circular surfaces or oval surfaces around the cooling air holes;
2. streifenförmige Quernut axial hinter diesen Flächen, die alle Kreisflächen oder Ovalflächen einer Kühlluftreihe miteinander verbindet. 2. strip-shaped transverse groove axially behind these surfaces, which connects all circular surfaces or oval surfaces of a row of cooling air.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figure and the description represent only embodiments of the invention.
Die Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf ein Schaufelblatt 4 eines Turbinenbauteils und einer Turbinenschaufel 1 - hier als beispielhaftes Bauteil -. 1 shows a plan view of an airfoil 4 of a turbine component and a turbine blade 1 - here as an example component.
Das Schaufelblatt 4 weist an der Anströmkante sowie auf der Saug- bzw. Druckseite Kühlluftlöcher 11 11 λ λ, ... auf, die insbesondere in mehreren Kühlluftreihen 10 10 λ λ , ... The airfoil 4 has at the leading edge and on the suction or pressure side cooling air holes 11 11 λ λ , ..., which in particular in several rows of cooling air 10 10 λ λ , ...
angeordnet sind. are arranged.
Außerdem weist die Turbinenschaufel 1 eine äußere Schicht 9 auf einem Substrat auf, die auf dem vorzugsweise verwendeten nickel- oder kobaltbasierten Substrat aufgebracht ist und einen metallischen Haftvermittlerschicht und/oder eine äußere keramischen Schicht 9 aufweist. In addition, the turbine blade 1 has an outer layer 9 on a substrate which is applied to the preferably used nickel- or cobalt-based substrate and has a metallic adhesion promoter layer and / or an outer ceramic layer 9.
Um einen Teil 7 (gestrichelt angedeutet) der Kühlluftlöcher 11 11 λ λ, also nicht alle Kühlluftlöcher 11 11 λ λ, ... betreffend, ist eine Aussparung 12 der äußeren Schicht 9 vorhanden .
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Sicht auf diese Kühlluftlöcher 11 11 λ λ, ... gemäß Figur 1. To a part 7 (indicated by dashed lines) of the cooling air holes 11 11 λ λ , so not all cooling holes 11 11 λ λ , ..., a recess 12 of the outer layer 9 is present. FIG. 2 shows an enlarged view of these cooling air holes 11 11 λ λ ,... According to FIG. 1.
Um diese Kühlluftlöcher 11 11 λ λ, ... herum ist jeweils eine kreisförmige oder ovalförmige Aussparung 13 13 λ λ, ... Around these cooling air holes 11 11 λ λ , ... around is in each case a circular or oval-shaped recess 13 13 λ λ , ...
vorhanden, die sich um das jeweilige gesamte Kühlluftloch 11 11 λ λ, ... erstreckt. present, which extends around the respective entire cooling air hole 11 11 λ λ , ....
Weiterhin ist eine streifenförmige Vertiefung 8 vorhanden, die sich an die Aussparungen 13 13 λ λ der KühlluftlöcherFurthermore, a strip-shaped recess 8 is present, which is at the recesses 13 13 λ λ of the cooling air holes
11 11 λ λ, ... direkt anschließt und die durchgehende Ausspa¬ rung 12 bildet. 11 11 λ λ , ... directly connects and the continuous Ausspa ¬ tion 12 forms.
Die streifenförmige Vertiefung 8 ist vorzugsweise rechteckig ausgebildet. The strip-shaped recess 8 is preferably rectangular.
In dieser streifenförmigen Vertiefung 8 sind keine In this strip-shaped recess 8 are no
Kühlluftlöcher vorhanden. Cooling holes available.
Die streifenförmige Vertiefung 8 erstreckt sich vorzugsweise nur entlang der Kühlluftlöcher 11 11 λ λ, die die The strip-shaped recess 8 preferably extends only along the cooling air holes 11 11 λ λ , the
Aussparungen 13 13 λ λ, ... aufweisen, aber nicht darüber hinaus und ist strömungstechnisch hinter den Kühlluftlöchern 11 11 λ λ, ... angeordnet. Dabei ist das Muster nur in einem gewissen Bereich der Recesses 13 13 λ λ , ... have, but not beyond and is fluidically behind the cooling air holes 11 11 λ λ , ... arranged. The pattern is only in a certain range of
Kühlluftlöcher eingebracht (eine halbe Kühlluftreihe) . Die Aussparungen können auch auf größere Teile der Schaufel angewendet werden. Die Aussparung 13 13 λ λ, 8 kann durch nachträgliche Bear¬ beitung entstehen oder beim Beschichten durch entsprechende Abschaffung erneut erzeugt werden. Cooling air holes introduced (half a row of cooling air). The recesses can also be applied to larger parts of the blade. The recess 13 13 λ λ , 8 can be created by subsequent Bear ¬ processing or generated again during coating by appropriate abolition.
Die Vorteile sind: The advantages are:
• das eingebrachte Aussparungsmuster birgt das Potential, die TBC-Abplatzungen im laufenden Betrieb der Turbinenschaufel zu verringern oder sogar gänzlich zu vermeiden.
Je nach Grad der Auswirkung auf das Abplatzungsverhalten können dadurch ungeplante Stillstände sowie ungeplante Schaufelaustäusche verringert werden. Das hier aufgezeigte Muster birgt eine höhere thermische Schutzfunktion, • The introduced relief pattern has the potential to reduce or even eliminate TBC flaking while the turbine blade is in operation. Depending on the degree of impact on the spalling behavior, this may reduce unplanned downtime and unplanned blade noise. The pattern shown here has a higher thermal protection function,
· die Abtragung um die Kühlluftbohrungen entfernt die beim Bohren unvermeidlich eingebrachten Mikrorisse. Die alle kreisförmigen Aussparrungen verbindende Quernut reduziert zusätzlich die Neigung zum Abplatzen der TBC, da sie eine Rissfortpflanzungsbarriere darstellt, · The removal around the cooling air holes removes the microcracks inevitably introduced during drilling. In addition, the transverse groove connecting all circular notches reduces the tendency for the TBC to flake off because it represents a crack propagation barrier.
· Kosteneinsparungen beim Service der Gasturbinen durch · Cost savings in the service of gas turbines by
Steigerung der Zuverlässigkeit der Gasturbine und damit Einhaltung von Garantien (Verfügbarkeit) sowie gesteigerter Kundennutzen und damit stärke Kundenbindung / Potential auf neue Aufträge.
Increased reliability of the gas turbine and thus compliance with guarantees (availability) as well as increased customer benefit and thus strong customer loyalty / potential for new orders.
Claims
1. Schichtsystem (1), 1st layer system (1),
zumindest aufweisend: at least having:
ein Substrat mit zumindest einer äußeren Schicht (9), insbesondere mit einer äußeren keramischen Schicht (9), wobei das Schichtsystem (1) mehrere Kühlluftlöcher (11 11 λ λ , ...) aufweist, a substrate with at least one outer layer (9), in particular with an outer ceramic layer (9), wherein the layer system (1) has a plurality of cooling air holes (11 11 λ λ , ...),
die insbesondere in zumindest einer Kühlluftreihe (10 in particular in at least one cooling air row (10
10 λ λ, ...) angeordnet und 10 λ λ , ...) arranged and
wobei um mehrere Kühlluftlöcher (11 11 λ λ, ...) zumindest eine gemeinsame, durchgehende Aussparung (12) in der wherein a plurality of cooling air holes (11 11 λ λ , ...) at least one common, continuous recess (12) in the
Schicht (9) vorhanden ist, Layer (9) is present,
wobei Aussparung (12) bedeutet, dass dort zumindest keine äußere Schicht (9) vorhanden ist, wherein recess (12) means that there is at least no outer layer (9),
wobei die Aussparung (12) gebildet ist durch wherein the recess (12) is formed by
eine streifenförmige Aussparung (8) und a strip-shaped recess (8) and
kreisförmige oder ovalförmige Aussparungen (13 13 λ λ, ...) um die Kühlluftlöcher (11, 11 λ λ, ...) , Circular or oval-shaped recesses (13 13 λ λ , ...) to the cooling air holes (11, 11 λ λ , ...),
die mit der streifenförmigen Aussparung (8) verbunden sind, die (8) ebenfalls keine Schicht (9) aufweist. which are connected to the strip-shaped recess (8), the (8) also has no layer (9).
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, 2. Layer system according to claim 1,
bei dem die äußere Schicht (9) eine äußere keramische wherein the outer layer (9) is an outer ceramic
Schicht (9) darstellt. Layer (9) represents.
3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, 3. Layer system according to one or both of claims 1 or 2,
bei dem die äußere keramische Schicht (9) eine teilstabili¬ sierte Zirkonoxidschicht aufweist.
wherein the outer ceramic layer (9) has a teilstabili ¬ catalyzed zirconium.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, 4. Layer system according to one or more of claims 1, 2 or 3,
bei dem unter der äußeren keramischen Schicht (9) eine metallische Haft ermittlerschicht , in which under the outer ceramic layer (9) has a metallic adhesion promoter layer,
insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY vorhanden ist. especially on the basis NiCoCrAlY is present.
5. Schichtsystem nach Anspruch 4, 5. Layer system according to claim 4,
bei dem in den Aussparungen (13 13 λ λ, 8; 12) keine äußere keramische Schicht (9), in which in the recesses (13 13 λ λ , 8, 12) no outer ceramic layer (9),
aber eine metallische Haftvermittlerbeschichtung vorhanden ist . but a metallic primer coating is present.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, 6. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4 or 5,
bei dem die Aussparung (12) nur einen Teil von Kühlluftlöchern (11 11 λ λ, ...) einer Kühlluftreihe (10 10 λ λ, ...) einer Turbinenschaufel betrifft. in which the recess (12) relates only to a part of cooling air holes (11 11 λ λ , ...) of a cooling air row (10 10 λ λ , ...) of a turbine blade.
7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, 7. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6,
bei dem sich die streifenförmige Vertiefung (8) nur entlang der Kühlluftlöcher (11 11 λ λ, ...) erstreckt, in which the strip-shaped recess (8) extends only along the cooling air holes (11 11 λ λ , ...),
die Aussparungen (13 13 λ λ, ...) aufweisen. the recesses (13 13 λ λ , ...) have.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, 8. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7,
bei dem die streifenförmige Aussparung (8) strömungstechnisch hinter den Kühlluftlöchern (11 11 λ λ, ...) angeordnet ist .
in which the strip-shaped recess (8) fluidly behind the cooling air holes (11 11 λ λ , ...) is arranged.
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, 9. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8,
bei dem die streifenförmige Aussparung (8) rechteckig aus¬ gebildet ist.
in which the strip-shaped recess (8) is formed rectangular ¬ .
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