TURBINENLAUFSCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel (10) für eine Gasturbine mit einem metallischen Schaufelblatt (16) umfassend eine von einem Heißgas (S) anströmbare Vorderkante (18), von der aus sich eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (24) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (16) erstrecken, wobei das Schaufelblatt (16) in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung (R) von einem fußseitigen Ende (26) zu einem eine Blattspitze (30) bildenden spitzenseitigen Ende (28) erstreckt und wobei an der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze (30) eine erste Schneidschicht (36) aufgebracht ist. Um eine Turbinenlaufschaufel 10 bereitzustellen, welche eine verbesserte Lebensdauer aufweist insbesondere bei Verwendung in einer Gasturbine mit einem axial verschieblichen Rotor, wird vorgeschlagen, dass zumindest auf einer der beiden Seitenwände, insbesondere auf der saugseitigen Seitenwand (22) des Schaufelblatts (16) und/oder im Bereich der Vorderkante (18) des Schaufelblatts spitzenseitig eine weitere Schneidschicht (36) aufgebracht ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Turbinenlaufschaufel ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 166 676 A2 bekannt. Die vorbekannte Turbinenschaufel weist ein metallisches Schaufelblatt auf, an dessen nach außen weisender Spitze eine Schicht mit Hartstoffpartikeln aufgebracht wurde. Diese dient bei Verwendung der Turbinenlaufschaufel in einer Gasturbine zum gezielten Abtragen von Material, welches an der der Schaufelspitze gegenüberliegenden Gehäusewand aufgebracht wurde. Üblicherweise werden diese den Strömungspfad begrenzenden Gehäusewände bei stationären Gasturbinen durch sogenannte Ringsegmente gebildet, auf denen das abreibbare Material nicht nur als Temperaturschutz, sondern auch funktional zur Radialspalteinstellung und -optimierung aufgebracht ist. Hintergrund ist eine sich während des Betriebs der Gasturbine einstellende thermische Verteilung, die zu unterschiedlichen thermisch bedingten Dehnungen im Gehäuse führen. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeverteilung und der unterschiedlich gestalteten Gehäusebauteile entsteht eine nicht exakt kreisrunde Strömungskontur der Gehäusewände, in dem sich der mit den Turbinenlaufschaufeln bestückte Rotor dreht. Auch die hydrodynamische Lagerung führt ebenfalls dazu, dass der Rotor nicht exakt mittig positioniert ist. Im Ergebnis stellt sich zwischen jeder Schaufelblattspitze und der dieser gegenüberliegenden Gehäusewand ein individueller Radialspalt ein. Diese können längs des Umfangs verteilt unterschiedlich groß sein. Zur Steigerung des Turbinenwirkungsgrades sind diese Unterschiede zu vergleichmäßigen und kleinstmögliche Radialspalte einzustellen, was mit Hilfe des abreibbaren Materials erreichbar ist. Dieses wird als eine keramische, abriebfähige Schicht - auch Einlaufschicht genannt - auf den Ringsegmenten aufgebracht und erlaubt ein Anstreifen und ein Eingraben der Laufschaufeln darin.

[0003] So schlägt beispielsweise die eingangs erwähnte EP 0 166 676 A2 vor, auf der nach außen weisenden Fläche der Schaufelspitze ein besonders hartes Material zu verwenden, um somit das weichere, auf den Ringsegmenten aufgebrachte Material während des Betriebs der Gasturbine zur Einstellung minimaler Spalte und auch zur Verbesserung des Warmstartverhaltens dort abzureiben.

[0004] Darüber hinaus ist es in Fachkreisen bekannt, das Schaufelblatt von Turbinenschaufeln mittels eines Schichtsystems aus zumeist zwei Schichten, einer zuerst aufgetragenen Haftvermittlerschicht und einer darüber aufgetragenen keramischen Wärmedämmschicht, gegen den schädlichen Einfluss des Heißgases zu schützen.

[0005] Es hat sich jedoch gezeigt, dass zum Eingraben in eine abriebfähige Schicht verwendete Laufschaufeln dazu neigen können, an ihrem äußeren Ende die thermische Wärmedämmschicht lokal zu verlieren. Dies reduziert den Schutz des Schaufelblatts gegen Heißgaseinflüsse, so dass an den Stellen fehlender Wärmedämmschichten das metallische Material der Turbinenschaufel vorzeitig altern kann. Dies kann die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel verkürzen, was schlimmstenfalls einen vorzeitigen Austausch des beschädigten Bauteils nach sich ziehen kann.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine, welche, ausgestaltet zum Eingraben in eine gehäuseseitig vorgesehene abriebfähige Schicht, eine vergleichsweise lange Lebensdauer aufweist.

[0007] Die auf die Turbinenlaufschaufel gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Mithin wird zur Lösung der Aufgabe eine Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine, mit einem metallischen Schaufelblatt umfassend eine von einem heißgasanströmbare Vorderkante, von der aus sich eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand zu einer Hinterkante des Schaufelblatts erstrecken, wobei das Schaufelblatt in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung von einem fußseitigen Ende zu einem eine Blattspitze bildenden spitzenseitigen Ende erstreckt und wobei an der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze eine erste Schneidschicht aufgebracht ist, vorgeschlagen, bei der auf zumindest einer der beiden Seitenwände, insbesondere auf der saugseitigen Seitenwand des Schaufelblatts und/oder im Bereich der Vorderkante des Schaufelblatts spitzenseitig eine weitere Schneidschicht aufgebracht ist.

[0008] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die erste Schneidschicht eine in Radialrichtung erfassbare Dicke aufweist, die vergleichsweise gering ist. Dies kann dazu führen, dass während einer der ersten Anstreifvorgängen die betreffende Turbinenlaufschaufel während ihres Umlaufs sich derart tief in Radialrichtung in das abzureibende Material der Gehäusewand eingräbt, dass auch ein Kontakt zwischen der auf den Seitenwänden bzw. auf der Vorderkante aufgebrachten Wärmedämmschicht und dem abzureibenden Material der Gehäusewand auftritt. In diesem Fall treffen zwei vergleichsweise weiche Materialien aufeinander, so dass nicht zwingend das abzureibende Material der Gehäusewand abgerieben wird. Vielmehr kann die auch an den spitzenseitigen Enden des Schaufelblatts aufgebrachte Wärmedämmschicht wegen des ungewünschten Kontakts lokal abplatzen. Des Weiteren kann sich die erste auf der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze aufgebrachte Schneidschicht beim Eingraben in die gegenüberliegende auf der Gehäusewand aufgebrachte abreibbare Schicht signifikant erwärmen. Die Erwärmung führt zu thermischen Dehnungen in der Schneidschicht und auch in den daran angrenzenden Bereichen. Insbesondere die auf den Seitenwänden und an der Vorderkante des Schaufelblatts spitzenseitig angebrachte Wärmedämmschicht kann sich unzulässig hoch erwärmen, so dass die Gefahr eines spitzenseitigen Abplatzens der Wärmedämmschicht erhöht ist.

[0009] Um diese Effekte zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, dass nicht nur auf der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze eine erste Schneidschicht aufgebracht ist, sondern dass zumindest auf einer der beiden Seitenwände, insbesondere auf der saugseitigen, weil voreilenden Seitenwand des Schaufelblatts und/oder im Bereich der Vorderkante des Schaufelblatts spitzenseitig eine weitere Schneidschicht aufgebracht ist. Mit anderen Worten: Die erste Schneidschicht und die weitere Schneidschicht gehen ineinander über und umgreifen die Kante zwischen der Seitenwand und der nach außen weisenden Fläche. Die Begriffe "erste" und "weitere" Schneidschicht dienen lediglich zu Identifizierung zweier ggf. zusammenhängender Bereiche der Schneidschicht, welche in einem Herstellungsschritt aufgebracht werden können.

[0010] Die Schneidschicht, üblicherweise mit Hartstoffpartikeln, insbesondere aus kubischem oder hexagonalem Bornitrid angereichert, weisen damit eine hinreichende Festigkeit und Härte auf, die es ermöglicht, dass lediglich das an der Gehäusewand aufgetragene Material dort abgetragen wird. Die auf den Seitenwänden des Schaufelblatts aufgetragene Wärmedämmschicht ist somit vor zerstörerischem Kontakt mit der beschichteten Gehäusewand geschützt.

[0011] Besonders bevorzugt wird eine Mischung aus kubischem Bornitrid (cBN) und MAX-Phasenpulver als Schneidschicht aufgebracht, so dass sich die Abriebbeständigkeit der Turbinenlaufschaufel signifikant verbessert. Das kubische Bornitrid weist eine sehr hohe Härte auf und zeichnet sich durch eine herausragende Verschleißbeständigkeit aus. Das Einbettmaterial für das kubische Bornitrid sollte ebenfalls über eine gute Verschleißbeständigkeit, kombiniert mit einer guten Oxidationsbeständigkeit und einer hohen thermischen Beständigkeit verfügen. Diese Kombination aus Eigenschaften wird durch die MAX-Phasen optimal abgedeckt. MAX-Phasen sind Werkstoffe, deren Eigenschaften zwischen denen von Keramiken und Metallen liegen. Dabei steht M für ein Element aus den Übergansmetallen (z.B. Ti, Cr, Nb, Ta, etc.), A steht für ein Element aus der A-Gruppe (z.B. Al, Si, etc.) und X steht für Kohlenstoff oder Stickstoff (C oder N). Typische Vertreter der MAX-Phasen sind Ti2AlC, Cr2AlC sowie Nb2AlC. Das Gemisch aus kubischem Bornitrid und MAX-Phase könnte z.B. über Laserpulverauftragsschweißen aufgebracht werden. Alternativ könnten Preforms gesintert werden, die anschließend über einen Lötprozess an die Turbinenschaufel angebunden werden.

[0012] Durch den aufrechterhaltenen Schutz des Schaufelblatts aufgrund des Fortbestands der keramischen Wärmedämmschicht auf den Seitenwänden des Schaufelblatts kann die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel verbessert werden, verglichen mit Turbinenlaufschaufeln aus dem Stand der Technik.

[0013] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei deren Merkmale beliebig miteinander kombinierbar sind.

[0014] Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Blattspitze zumindest eine, vorzugsweise mindestens zwei Anstreifkanten mit jeweils einer ersten, der Saugseite zugewandten Seitenfläche, auf welcher Seitenfläche die weitere Schneidschicht aufgebracht ist. Mithin ist die Erfindung nicht nur lediglich bei ebenen und somit unprofilierten Blattspitzen anwendbar, sondern auch bei solchen Blattspitzen, bei denen die Turbinenlaufschaufel bekanntermaßen verwendete Anstreifkanten aufweisen. Da bei rotierenden Turbinenlaufschaufeln die saugseitige Seitenwand der druckseitigen Seitenwand vorauseilt, ist es von besonderem Vorteil, wenn zur Saugseite weisende Flächen die weitere Schneidschicht spitzenseitig aufweisen.

[0015] Um eine auf der Seitenwand des Schaufelblatts gleichbleibende Dicke an Beschichtungen bereitzustellen, ist es von Vorteil, wenn die betreffende Seitenwand des Schaufelblatts bzw. die betreffende Seitenfläche der Anstreifkante zur Blattspitze hin eine zurückspringende Stufe aufweist. Die Tiefe der Stufe entspricht ungefähr der Dicke der aufgebrachten weiteren Schneidschicht.

[0016] Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn spitzenseitig zwischen der weiteren Schneidschicht und dem metallischen Schaufelblatt zumindest eine weitere Schicht, insbesondere eine Haftvermittlerschicht und/oder eine keramische Wärmdämmschicht vorgesehen sind. Für den Fall, dass aufgrund fehlender Dauerfestigkeit der Hartstoffpartikel diese vorzeitig altern oder aufgrund höherer Einsatztemperaturen sich auflösen, ist es von Vorteil, wenn zwischen der weiteren Schneidschicht noch zumindest eine Haftvermittlerschicht, welche zumeist in Form einer MCrAlY gleichzeitig eine Korrosionsschutzschicht darstellt, diesen Bereich der Turbinenschaufel vor den schädlichen Einflüssen des Heißgases zusätzlich schützt.

[0017] Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer vorgenannten Turbinenlaufschaufel in einer Gasturbine herausgestellt, deren Rotor in Axialrichtung verschieblich ausgestaltet ist. Bekanntermaßen existieren Gasturbinen mit axialverschieblichem Rotor, um die Radialspalte zwischen Laufschaufelspitzen und einem sich konisch erweiternden Turbinenheißgaskanal während des stationären Betriebs der Gasturbine zu reduzieren. Dabei sind die Blattspitzen der Turbinenlaufschaufeln und der sich konisch erweiterende Turbinenheißgaskanal korrespondierend geneigt, so dass bei einer Axialverschiebung des Rotors in Richtung der ankommenden Heißgasströmung der Radialspalt zwischen konischer Gehäusewand und ebenso geneigter Schaufelspitze verkleinerbar ist. Insbesondere für derartig ausgestaltete Gasturbinen ist es von Vorteil, wenn deren zum Eingraben in eine gehäuseseitig angeordnete Beschichtung vorgesehene Turbinenlaufschaufeln im Bereich ihrer Vorderkante und somit auch auf den Seitenwänden des Schaufelblatts spitzenseitig auch die weitere Schneidschicht aufweisen. Damit kann ein spitzenseitiges Abplatzen der keramischen Schutzschicht im Bereich der Vorderkante vermieden werden, wenn während der Axialverschiebung des Rotors in stromaufwärtiger Richtung ein Kontakt zwischen der Vorderkante des Schaufelblatts und der abreibbaren Beschichtung der Gehäusewand auftritt.

[0018] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Figur 1

eine perspektivische Ansicht auf eine Turbinenlaufschaufel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 2

den Längsschnitt durch die Blattspitze der Turbinenschaufel gemäß Figur 2 und

Figur 3

im Längsschnitt eine alternative Blattspitze gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.

[0019] In Figur 1 ist in einer perspektivischen Darstellung eine Turbinenlaufschaufel 10 dargestellt. Entlang einer Achse, die mit der Radialrichtung R einer Gasturbine zusammenfällt, in welcher die Turbinenlaufschaufel 10 eingebaut ist, umfasst diese von innen nach außen gesehen einen Schaufelfuß 12, eine Plattform 14 und ein Schaufelblatt 16. Üblicherweise werden derartige Turbinenlaufschaufeln 10 innen gekühlt. Mithin werden diese gewöhnlich in einem Gussverfahren hergestellt, so dass sie insgesamt aus einem metallischen Grundwerkstoff gebildet sind. Für die Erfindung betreffend ist es jedoch ausreichend, wenn das Schaufelblatt 16 metallisch ist. Dieses weist eine von einem Heißgas S anströmbare Vorderkante 18 sowie eine Hinterkante 20 auf. Dazwischen erstrecken sich eine saugseitige Seitenwand 22 und eine druckseitige Seitenwand 24, welche in Querrichtung und somit in Radialrichtung R sich von einem fußseitigen Ende 26 zu einem spitzenseitigen Ende 28 erstrecken. Letzteres bildet gleichzeitig die Blattspitze 30, welche nicht zwingend eben ausgebildet sein muss. Gemäß dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Blattspitze 30 mit einer Umrandung, welche auch als Anstreifkante 32 bezeichnet wird, versehen. Auf ihrer radial nach außen weisenden Fläche ist eine in Figur 1 nicht weiter dargestellte Schneidschicht aufgebracht, die jedoch in den Figuren 2 und 3 im Detail zu sehen ist.

[0020] Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils in einem Längsschnitt entsprechend der Schnittlinien II-II und III-III unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei der die Schneidschicht 36 nicht nur auf der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze 30 angeordnet ist, sondern auch auf der saugseitigen Seitenwand 24 des metallischen Schaufelblatts 16 bzw. dort im Bereich seiner Vorderkante 18. Dies gilt für sowohl für die saugseitige als auch für die druckseitig angeordnete Anstreifkante 32. Die für das Verständnis der Erfindung irrelevanten Elemente der Turbinenlaufschaufel sind - wie stets bei schematischen Darstellungen - nicht dargestellt.

[0021] Die Blattspitze 30 ist beispielhaft sowohl saugseitig als auch druckseitig mit jeweils einer Anstreifkante 32 ausgestattet, die nicht nur an ihren radial nach außen weisenden Flächen von der ersten Schneidschicht 36 überdeckt sind. Die Schneidschicht erstreckt sich erfindungsgemäß auch über eine Ecke 38 auf diejenige Seitenflächen 34 der Anstreifkanten 32, die zur Saugseite 24 hinweisen oder Teil der Vorderkante 18 sind. Dieser Teil der Schneidschicht 36 wird als weitere Schneidschicht bezeichnet.

[0022] Gemäß Figur 3 ist die Schnittlinie III-III derartig angeordnet, dass diese sich durch die Vorderkante 18 der Schaufel sowie der druckseitigen Seitenwand 24 erstreckt. Insofern ist die Schneidschicht 36 gemäß Figur 3 schaufelspitzenseitig auch im Bereich der Vorderkante 18 auf die vom Heißgas anströmbare Fläche vorgezogen und erstreckt sich sogar geringfügig bis auf die druckseitige Seitenwand 24. Der vorderkantenseitige Bereich der vom Heißgas S anströmbaren Fläche des Schaufelblatts 16, an dem die weitere Schneidschicht 36 vorgesehen ist, ist in Figur 1 als Bereich VK umrandet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Rotor der mit einer solchen Turbinenlaufschaufel 10 ausgestatteten Gasturbine auch in Axialrichtung A verschieblich ist.

[0023] Gemäß den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 3 ist das Schaufelblatt 16 jeweils sowohl saugseitig als auch druckseitig bzw. an der Vorderkante großflächig zuerst von einer Haftvermittlerschicht 40 überzogen, die ihrerseits wiederrum durch eine keramische Wärmedämmschicht 42 abgedeckt ist. Nach dem ersten Ausführungsbeispiel stoßen beiden Schichten 40, 42 direkt an die weitere Schneidschicht an. Gleichzeitig weist das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 spitzenseitig eine Stufe 44 auf, welche bezogen auf die Vorderkante 18 oder ggf. bezogen auf die Saugseitenwand 22 zurückspringt.

[0024] Die Haftvermittlerschicht 40 kann - wie gemäß Figur 3 exemplarisch dargestellt - auch zwischen der Schneidschicht 36 einerseits und der Anstreifkante 32 bzw. dem Schaufelblatt 16 andererseits angeordnet sein. In diesem Fall reicht nur die keramische Wärmedämmschicht 42 bis an die weitere Schneidschicht heran.

[0025] Mithin betrifft die Erfindung eine Turbinenlaufschaufel 10 für eine Gasturbine mit einem metallischen Schaufelblatt 16 umfassend eine von einem Heißgas S anströmbare Vorderkante 18, von der aus sich eine saugseitige Seitenwand 22 und eine druckseitige Seitenwand 24 zu einer Hinterkante 20 des Schaufelblatts 16 erstrecken, wobei das Schaufelblatt 16 in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung R von einem fußseitigen Ende 26 zu einem eine Blattspitze 30 bildenden spitzenseitigen Ende 28 erstreckt und wobei an der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze 30 eine erste Schneidschicht 36 aufgebracht ist. Um eine zum Abreiben einer weicheren Schicht einer Gehäusewand vorgesehene Turbinenlaufschaufel bereitzustellen, welche eine verbesserte Lebensdauer aufweist insbesondere bei Verwendung in einer Gasturbine mit einem axial verschieblichen Rotor, wird vorgeschlagen, dass zumindest auf einer der beiden Seitenwände, insbesondere auf der saugseitigen Seitenwand des Schaufelblatts und/oder im Bereich der Vorderkante des Schaufelblatts spitzenseitig eine weitere Schneidschicht aufgebracht ist.

Ansprüche

1. Turbinenlaufschaufel (10) für eine Gasturbine,
mit einem metallischen Schaufelblatt (16) umfassend eine von einem Heißgas anströmbare Vorderkante (18), von der aus sich eine saugseitige Seitenwand (22) und eine druckseitige Seitenwand (24) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (16) erstrecken,
wobei das Schaufelblatt (16) in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung von einem fußseitigen Ende (26) zu einem eine Blattspitze (30) bildenden spitzenseitigen Ende (28) erstreckt, und
wobei an der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze (30) eine erste Schneidschicht (36) aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest auf einer der beiden Seitenwände (22, 24), insbesondere auf der saugseitigen Seitenwand (22) des Schaufelblatts (16) und/oder im Bereich der Vorderkante (18) des Schaufelblatt (16) spitzenseitig eine weitere Schneidschicht (36) aufgebracht ist.

2. Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der auf den Seitenwänden des Schaufelblatts (16) zumindest eine keramische Wärmedämmschicht (42) aufgebracht ist.

3. Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der die Blattspitze (30) zumindest eine, vorzugsweise mindestens zwei Anstreifkanten (32) mit einer ersten der Saugseitenwand (22) zugewandten Seitenfläche umfasst, auf welcher Seitenfläche die weitere Schneidschicht (36) aufgebracht ist.

4. Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der die betreffende Seitenwand des Schaufelblatts (16) bzw. die betreffende Seitenfläche der Anstreifkante zur Blattspitze (30) hin eine zurückspringende Stufe (44) aufweist.

5. Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei spitzenseitig zwischen
der weiteren Schneidschicht (36) und dem metallischen Schaufelblatt
zumindest eine weitere Schicht,
insbesondere eine Haftvermittlerschicht (40) und/oder einer Wärmedämmschicht (42) vorgesehen ist.

6. Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die erste Schneidschicht und die weitere Schneidschicht Hartpartikel, insbesondere aus kubischem oder hexagonalem Bornitrid, und MAX-Phasen enthalten.

7. Verwendung einer Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Gasturbine mit einem axial verschieblichen Rotor.

Zeichnung