TECHNISCHES GEBIET
[0001] Bei der Erfindung handelt es sich um eine reibungsbehaftete Komponente einer thermischen
Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
[0002] Die Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen sind starken Belastungen ausgesetzt.
Um die Leckageverluste der Gasturbine klein zu halten wird beispielsweise das Laufrad
der Gasturbine mit einem sehr kleinen Spiel zum Stator eingepasst, so dass es zum
Anstreifen kommt. An dem Stator der Gasturbine ist eine Honigwabenstrukur angebracht.
Die Honigwabenstruktur besteht aus einer warmfesten Metallegierung. Eine weitere Bauart
sind glatte, beschichtete oder unbeschichtete Wärmestausegmente (WSS), welche der
rotierenden Schaufel am Aussenradius radial gegenüberstehen. Die Schaufelspitze reibt
dann gegen diese Wärmestausegmente. Um zu verhindern, dass die Schaufelspitze selbst
abgerieben wird, kann sie beschichtet sein, um dann in einem grösseren Masse die Wärmestausegmente
abzureiben. Nachteilig ist aber bei dieser Ausführungsform, dass die Beschichtung
nur eine begrenzte Haftbarkeit an der Turbinenschaufel hat. Zudem ist nachteilig,
dass Kühlluftbohrungen, mit welchen entweder das Wärmestausegment und/oder die Schaufel
versehen sein können, beim Reiben verstopft werden.
[0003] Aus den Schriften DE-C2 32 35 230, EP-132 667 oder DE-C2-32 03 869 ist es bekannt,
Metallfilze an verschiedenen Stellen von Gasturbinenkomponenten einzusetzen, so z.B.
an der Spitze einer Turbinenschaufel (DE-C2-32 03 869), zwischen einem Metallkern
oder einer keramischen Aussenhaut (DE-C2 32 35 230) oder als Mantel der Turbinenschaufel
(EP-B1-132 667). Diese Ausführungen haben aber den Nachteil, dass der eingesetzte
Metallfilz eine ungenügende Oxidationsbeständigkeit aufweist. Die Erhöhungen der Heissgastemperaturen,
beispielsweise in heutigen Gasturbinen, führen dazu, dass die eingesetzten Materialien
immer höheren Anforderungen genügen müssen. Die Metallfilze in den erwähnten Schriften
erfüllen aber die Anforderung an heutige Massstäbe nicht mehr, insbesondere in bezug
auf eine notwendiges Mass an Oxdationsbeständigkeit.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0004] Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden. Die Erfindung löst die
Aufgabe, eine Komponente einer thermischen Turbomaschine zu schaffen, welche eine
ausreichende mechanische Festigkeit und eine stetige Kühlwirkung an reibungsbehafteten
Stellen aufweist. Dabei soll auch eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit gewährleistet
sein. Zudem sollen die Kosten gesenkt werden.
[0005] Erfindungsgemäss wird das Ziel bei einer reibungsbehafteten Komponente einer thermischen
Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass die Komponente
an reibungsbehafteten Stellen mit einem intermetallischen Filz ausgestattet ist. Es
kann sich dabei um die Spitze einer Turbinenschaufel, um die der Turbinenschaufel
gegenüberliegend angeordneten Wärmestausegmente oder um die Plattform der Turbinenschaufel
handeln.
[0006] Durch eine entsprechende Wahl der Zusammensetzung des intermetallischen Filzes besitzt
er eine ausreichende Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Verformbarkeit. Ein weiterer
Vorteil entsteht, wenn der intermetallische Filz mit einem keramischen Material überzogen
ist, da auf der rauhen Oberfläche des intermetallischen Filzes eine sehr gute Haftbarkeit
des keramischen Materials erzielt wird. Dadurch erhält beispielsweise die Spitze der
Leit- oder Laufschaufel einen guten Schutz gegen thermische und gegen durch Reibung
bedingte mechanische Einwirkungen. Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass Kühlluftbohrungen
durch den Abrieb während des Betriebes nicht verstopfen, da es sich um ein poröses
Material handelt.
[0007] Die weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0008] Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen
- Fig.1
- eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Turbinenschaufel mit einem intermetallischen
Filz an der Spitze zeigt,
- Fig. 2
- eine Ausführungsform einer Gasturbine mit Wärmestausegmenten, welche der Leit- bzw.
Laufschaufel gegenüberliegend angeordnet sind und aus einem intermetallischen Filz
bestehen, darstellt,
- Fig. 3
- eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Turbinenschaufel, wobei der intermetallische
Filz auf der Plattform der Turbinenschaufel angeordnet ist, darstellt,
- Fig. 4
- eine Variante der zweiten Ausführungsform des Details IV der Figur 3, wobei der intermetallische
Filz zwischen den Turbinenschaufeln auf den Plattformen der Turbinenschaufeln auf
einer tragenden Grundstruktur angeordnet ist, darstellt,
- Fig. 5
- ein erfindungsgemässes Wärmestausegment mit einer tragenden Grundstruktur gemäss dem
Ausschnitt V in der Figur 2 zeigt,
- Fig. 6
- einen Schnitt durch das Wärmestausegment gemäss der Linie VI-VI in der Figur 5 darstellt
und
- Fig. 7
- eine Darstellung des Oxidationsverhaltens eines intermetallischen Filzes mit einer
herkömmlichen Vergleichslegierung zeigt.
[0009] Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente
sind in unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0010] In der Figur 1 ist eine Turbinenschaufel 1 mit einer Spitze 11, einem Schaufelblatt
14, einer Plattform 12 und einem Schaufelfuss 13 dargestellt. Es kann sich dabei beispielsweise
um eine Leit- oder eine Laufschaufel einer Gasturbine oder eines Verdichters handeln.
Erfindungsgemäss ist an der Spitze 11 dieser Turbinenschaufel 1 ein intermetallischer
Filz 2 angeordnet. Der intermetallische Filz 2 kann auf der Basis von einem Fe-Aluminid,
Ni-Aluminid oder Co-Aluminid hergestellt werden. Um eine ausreichende Festigkeit,
Oxidationbeständigkeit und Verformbarkeit zu erreichen sind die Elemente Ta, Cr, Y,
B und Zr zugegeben. In der Tabelle 1 ist eine mögliche Zusammensetzung beispielsweise
für ein Fe-Alumind und ein Ni-Aluminid angegeben. Materialien mit gleichen Eigenschaften
sind aber ebensogut verwendbar.
Tab. 1
Zusammensetzung von intermetallischen Filzen (angegeben für Fe-Aluminide oder Ni-Aluminide) |
Eisen-Aluminide (Angaben in Gew.-%) |
Fe |
Al |
Cr |
Ta oder W oder Mo |
Hf |
Y |
B |
C |
Zr |
Rest |
5-20% |
15-25% |
0-7% |
0-0.5% |
0-0.5% |
0-0.2% |
0-0.1% |
0-0.2% |
Nickel-Aluminide (Angaben in Gew. -%) |
Ni |
Al |
Cr |
Ta |
Y |
Hf |
Zr |
B |
Fe |
Rest |
20-30% |
0-15% |
0-10% |
0-0.5% |
0-1% |
0-0.2% |
0-0.2% |
0-4% |
[0011] Metallische Hochtemperaturfasern sind auch in dem
VDI-Bericht 1151, 1995 (Metallische Hochtemperaturfasern durch Schmelzextraktion -
Herstellung, Eigenschaften, Anwendungen) beschrieben.
[0012] Der Vorteil der intermetallischen Filze 2 ist die deutlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit.
Aus der Figur 7 ist die Oxidation verschiedener intermetallischer Filze 2 im Vergleich
mit der kommerziellen Nickelbasislegierung Hastelloy X ersichtlich. Die Tabelle 2
gibt die Zusammensetzung der Versuchslegierungen wieder.
Tab. 2
Zusammensetzung von Versuchslegierungen (Angaben in Gew.-%) |
Bez. |
Ni |
Cr |
Co |
Mo |
W |
Al |
Ta |
Fe |
Mn |
B |
Zr |
Y |
Hf |
Hastelloy X |
47 |
22 |
1.5 |
9 |
0.6 |
-- |
-- |
18.5 |
0.5 |
-- |
-- |
-- |
-- |
IM12 |
62.65 |
10 |
-- |
-- |
-- |
24 |
-- |
3 |
-- |
0.05 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
IM13 |
44.65 |
10 |
-- |
-- |
-- |
15 |
-- |
30 |
-- |
0.05 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
IM14 |
64.8 |
22 |
-- |
-- |
-- |
10 |
-- |
3 |
-- |
-- |
-- |
0.2 |
-- |
IM15 |
60 |
9 |
-- |
-- |
-- |
27 |
2 |
1.6 |
-- |
-- |
0.2 |
0.2 |
-- |
[0013] Die Figur 7 zeigt die Gewichtszunahme der in Tabelle 2 angegebenen in [mg/cm
2] über eine Zeit von 12 Stunden bei einer Temperatur von 1200° C. Die Gewichtszunahme
ist stellvertretend für die Oxidation der Materialien aufgetragen. Aus der Figur 7
wird ersichtlich, dass die Vergleichslegierung Hastelloy X schon nach einer kurzen
Zeit von ca. 100 min. bis ca. 300 min. eine doppelte Gewichtszunahme aufweist. Mit
fortschreitender Zeit steigt die Gewichtszunahme der Hastelloy X kontinuierlich weiter,
während sich die intermetallischen Filze IM12-15 auf einen konstanten Wert zwischen
0.6 - 0.8 mg/cm
2 einstellen. Es wird deutlich, dass die Oxdiationbeständigkeit bei den intermetallischen
Filzen wesentlich verbessert ist. Für die erfindungsgemässe Verwendung des intermetallischen
Filzes an reibungsbehafteten Stellen einer thermischen Turbomaschine ist die Oxidationsbeständigkeit
einer der wichtigsten Faktor für die Lebensdauer der ganzen Komponente.
[0014] Um die Festigkeit dieser Turbinenschaufel 1 der Figur 1 an der Spitze 11 noch zu
erhöhen, kann der intermetallische Filz 2 mit einem keramischen Material 3 überzogen
werden, beispielsweise mit einem TBC (Thermal Barrier Coating). Es handelt sich bei
TBC um ein mit Y stabilisiertes Zr-Oxid. Gleichwertige Materialien sind aber ebenso
denkbar. Das keramische Material 3 kann auf den intermetallischen Filz 2 aufgespritzt
werden, es hat durch die unebene Oberfläche des intermetallischen Filzes 2 einen sehr
guten Halt auf ihm und eine gute Oxidationsbeständigkeit. Das keramische Material
3 ist ein guter Schutz gegen thermische und mechanische, beispielsweise reibungsbedingte
Einwirkungen. Vorteilhaft können Kühlluftbohrungen, welche in der Turbinenschaufel
1 oder am Rotor/Stator 4 vorhanden sein können, nicht verstopfen, da es sich bei dem
intermetallischen Filz 2 um ein poröses Material handelt.
[0015] In der Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Die Figur 2 zeigt schematische
eine Darstellung einer Gasturbine mit einem Rotor 4a, einem Stator 4b. An dem Rotor
4a sind Laufschaufeln 6, an dem Stator 7 sind Leitschaufeln 7 befestigt. Am Rotor
4a bzw. am Stator 4b sind üblicherweise dem Leit-/Laufschaufeln 6,7 gegenüberliegend
Wärmestausegmente 8 angeordnet. Erfindungsgemäss können diese Wärmestausegmente 8
ebenfalls ganz oder teilweise aus einem intermetallischen Filz bestehen. Durch die
porösen Eigenschaften ist eine verbesserte Kühlung an dieser Stelle auch dann möglich,
wenn es zu einem Abrieb gekommen ist, da die poröse Struktur des intermetallischen
Filzes ein Verstopfen verhindert. Der Abrieb kann wie bereits beschrieben durch eine
Schicht aus TBC verringert werden. Das Bauteil kann auch unter der TBC Schicht gekühlt
sein, da das Kühlmedium seitlich durch den porösen Filz entweichen kann.
[0016] Die Figur 5 zeigt ein erfindungsgemässes Wärmestausegment 8 gemäss dem Ausschnitt
V in der Figur 2. Der intermetallische Filz 2 wurde an einer tragenden Grundstruktur
5 angebracht. Die tragenden Grundstruktur 5 weist Befestigungsmittel 9 auf, welche
zur Befestigung am in der Figur 5 nicht dargestellten Rotor 4a bzw. Stator 4b dienen.
Die seitlichen Befestigungsmittel 9 sind durch Streben 10 miteinander verbunden. Zwischen
den Streben 10 ist auf der Seite, welche den Turbinenschaufeln zugewandt ist, der
intermetallische Filz 2 eingesetzt und mit ihm mechanisch verbunden. Dies kann beispielsweise
durch Löten, Schweissen oder durch Eingiessen geschehen. Aus Haltbarkeitsgründen sollte
der Filz stoffschlüssig an der tragenden Grundstruktur 5 befestigt sein.
[0017] Die Figur 6 zeigt den Schnitt VI-VI der Figur 5. Dort ist ersichtlich, dass die die
beiden Befestigungsmittel 9 verbindenden Streben 10 den intermetallischen Filz 2 nicht
durchdringen, sondern der intermetallische Filz 2 lediglich an ihnen befestigt ist.
Wie aus der Figur 6 ersichtlich ist, kann, um die Temperaturbeständigkeit des Wärmestausegments
8 noch zu erhöhen, der intermetallische Filz 2 wiederum mit einem keramischen Material
3 überzogen werden, beispielsweise mit einem TBC (Thermal Barrier Coating). Gleichwertige
Materialien sind aber ebenso denkbar. Wie bei der Turbinenschaufel 1 der Figur 1 bleibt
eine Kühlwirkung auch bei einem Abrieb erhalten, da es zu keinem Verstopfen des intermetallischen
Filzes 2 kommt.
[0018] Zu verbesserten Kühlzwecken ist der intermetallische Filz im Ausführungsbeispiel
in der Figur 3 auf der Plattform 12 der Turbinenschaufel 1 der thermischen Turbomaschine
angebracht. Auch hier macht es Sinn, wie bereits bei den Figur 1,2,5 und 6 beschrieben,
den Filz 2 mit einem keramischen Material 3 zu überziehen. Das hat den Vorteil, dass
das TBC besonders gut auf dem intermetallischen Filz haftet und der Filz oxidationsbeständig
ist. Es wird keine zusätzliche Bindeschicht (z.B. MCrAIY) benötigt. In der Figur 3
ist dies neben der rechten Turbinenschaufel 1 dargestellt. Das TBC dient auch als
Schutz gegen Abnutzung.
[0019] Figur 4 zeigt eine zweite Variante des Ausführungsbeispiels des Details IV aus Figur
3. Zwischen zwei Turbinenschaufeln 1 - auf der Plattform 12 der Turbinenschaufel 1
- ist der intermetallische Filz 2 auf einer tragenden Grundstruktur 5, bestehend aus
einem Gussteil oder einem anderen Metall, befestigt. Die tragende Grundstruktur 5
kann auch aus verschiedenen Kammern bestehen, um eine optimale Luftzufuhr zum intermetallischen
Filz 2 zu gewährleisten.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0020]
- 1
- Turbinenschaufel
- 2
- Intermetallischer Filz
- 3
- Keramischer Überzug
- 4
- Rotor bzw. Stator
- 4a
- Rotor
- 4b
- Stator
- 5
- Tragende Grundstruktur
- 6
- Laufschaufel
- 7
- Leitschaufel
- 8
- Wärmestausegment
- 9
- Befestigungsmittel
- 10
- Streben
- 11
- Spitze der Turbinenschaufel 1
- 12
- Plattform
- 13
- Schaufelfuss der Turbinenschaufel 1
- 14
- Schaufelblatt der Turbinenschaufel 1
1. Reibungsbehaftete Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine, welche an einem
Rotor (4,4a) oder Stator (4,4b) der thermischen Turbomaschine angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Komponente (1, 8) an reibungsbehafteten Stellen mit einem intermetallischen Filz
(2) ausgestattet ist.
2. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der intermetallische Filz (2) mit Kühlluft durchströmt ist.
3. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Komponente (1, 8) eine Turbinenschaufel (1) ist und die Spitze (11) der Turbinenschaufel
(1) mit einem intermetallischen Filz (2) ausgestattet ist.
4. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Komponente (1, 8) eine Turbinenschaufel (1) ist und die Plattform (12) der Turbinenschaufel
(1) mit einem intermetallischen Filz (2) ausgestattet ist.
5. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Komponente (1, 8) ein Wärmestausegment (8) ist und das Wärmestausegment (8) ganz
oder teilweise aus einem intermetallischen Filz (2) besteht.
6. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach einem der Ansprüche 4 oder
5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der intermetallische Filz (2) auf einer tragenden Grundstruktur (5) befestigt ist.
7. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die tragende Grundstruktur (5) aus Befestigungsmitteln (9) zur Befestigung am Rotor
(4, 4a) oder Stator (4, 4b) und aus sich zwischen den Befestigungsmitteln (9) befindenden
Streben (10) besteht, und der intermetallische Filz (2) des Wärmestausegments (8)
mechanisch zwischen den Befestigungsmitteln (9) an den Streben (10) befestigt ist.
8. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das der intermetallische Filz (2) durch Löten, Schweissen oder durch Eingiessen an
der tragenden Grundstruktur (5) mechanisch und/oder stoffschlüssig befestigt ist.
9. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der intermetallische Filz (2) mit einem keramischen Material (3) überzogen ist.
10. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der intermetallische Filz (2) aus einem Fe-Aluminid mit folgender Zusammensetzung
(Gew.-%): 5-20% Al, 15-25% Cr, 0-7%Ta od. W od. Mo, 0-0.5% Hf, 0-0.5%Y, 0-0.2% B,
0-0.1 % C, 0-0.2% Zr, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen besteht.
11. Komponente (1, 8) einer thermischen Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der intermetallische Filz (5) aus einem Ni-Aluminid mit folgender Zusammensetzung
(Gew.-%): 20-30% Al, 0-15% Cr, 0-10%Ta, 0-0.5% Y, 0-1% Hf, 0-0.2% Zr, 0-0.2% B, 0-4%
Fe, Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen besteht.