Einlaufbelag einer Strömungsmaschine

Abstract

 Gehäuseeinlaufbelag einer Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine mit gekühlter Gehäusewand und Mitteln zur Verringerung und zum Kleinhalten des Radialspaltes zum Rotor und zur besseren Abdichtung zwischen feststehenden und drehenden Teilen.
Ein fester, dichter, oberflächlich glatter Belag moderater Härte wird aus Teilchen mit nichtmetallischem Kern und metallischer Hülle in Schichttechnik hergestellt, insbesondere gesintert und/oder gepreßt oder aber verdichtet und während oder danach (z.B. als Band) auf einer Wand aufgebracht.

Beschreibung

[0001] In Strömungsmaschinen ist Wirkungsgrad und Betriebsverhalten in hohem Maße davon abhängig, ob es gelingt, den Radialspalt zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse so gering wie möglich zu halten. Will man den Radialspalt minimieren, so ist es z.B. möglich, durch Abrieb an einem Gehäusebelag (Einlaufbelag) beim Anstreifen diesen Spalt einzustellen. Die Schaufeln der Strömungsmaschine sollen dagegen möglichst wenig abgerieben werden, weil sonst insbesondere bei ovalen Gehäusen die Spalte ungünstig groß bleiben und die Schaufeln bei Überholung aufwendig repariert oder weggeworfen werden müssen, weil sie zu kurz sind.

[0002] Solche Einlaufbeläge am Gehäuse ergeben, insbesondere, wenn sie weich sind, wenig Schaufelspitzenverschleiß, sind jedoch erfahrungsgemäß erosionsempfindlich und temperaturempfindlich. Aufgabe der Erfindung ist es, relativ einen_/weichen Belag zu entwickeln der die Minimierung des Radialspaltes zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse einer Strömungsmaschine, wie Verdichter, gestattet und trotzdem eine geringe Temperatur- und Erosionsempfindlichkeit aufweist.

[0003] Die Erfindung löst diese Aufgabe insbesondere durch die im Hauptanspruch enthaltenen Merkmale. Ferner sind Lösungsmöglichkeiten in den weiteren Ansprüchen angegeben. Zur Erfindung gehören ausdrücklich auch alle Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen, dargestellten und beanspruchten Merkmale.

[0004] Die wesentlichsten Vorteile die mit der erfindungsgemäßen Lösung erreicht worden sind:

Geringerer Schaufelspitzenverschleiß am Rotor, bei gleichzeitig erheblich verringerter Erosions- und Temperaturempfindlichkeit. Je nach Anwendungsfall kann eine geeignete Werkstoffkombination von Hülle und Kern der Teilchen des Verbundwerkstoffs gewählt werden, z.B. bei Einsatztemperaturen bis etwa 550°C und darüber, bis etwa 1000° C, ein Graphitkern und eine _Nickelhülle,bei darüberliegenden Temperaturen kann eine Keramik oder ein Glas, eine Metallkeramik oder ein metallisches Glas oder eine Glaskeramik oder dergleichen verwendet werden mit einer metallischen Hülle legiert, insbesondere höherschmelzend, wie z.B. mit Chrom oder Al, Si im Packverfahren zum Oxidationsschutz von Ni bis 1000°C,Pulver bei 1100°C in Wasserstoffatmosphäre einige Stunden behandelt.

[0005] Insbesondere die Gruppen mit dem keramischen oder glashaltigen Kern der Teilchen des Verbundwerkstoffs ergibt eine bessere Isolation des Belags zum Gehäuse. Die Einsatztemperatur ist bei der Anwendung nicht vom Kernwerkstoff her beschränkt, sondern lediglich vom umhüllenden Werkstoff. Dieser läßt sich,da er metallisch ist,leicht verbinden und verdichten. Der Materialverbrauch während der Herstellung des Schichtverbundwerkstoffes und/oder seiner Aufbringung ist wesentlich geringer gegenüber dem herkömmlichen Spritzverfahren. Die Kern-und Hülleausbildung der Teilchen bringt vor allem den Vorteil daß der metallische Anteil am Verbundwerkstoff ESP-775
insgesamt niedriger gehalten werden kann als bei bekannten Einlaufbelägen, was insbesondere den schädlichen Einfluß abgeriebenen Materials in der Turbine (z.B. Verkleben von Kühlluftbohrungen, weniger Erosion nachfolgender Turbinenstufen und weniger Umweltbelastung) vermindert.

[0006] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellt und anhand derselben erläutert.

[0007] Es zeigen:

Fig. 1 ein Teilchen des Verbundwerkstoffs

Fig. 2 ein anderes Teilchen

Fig. 3 ein Schliffbild eines schichtartigen Verbundwerkstoffes

Fig. 4 einen Verbundwerkstoff mit einseitiger folienartiger Oberfläche/Träger

Fig. 5 einen Verbundwerkstoff als Band Folien-/Träger_'

Fig. 6 einen Verbundwerkstoff mit teilchengefülltem (Waben-)Träger in Draufsicht.

[0008] In allen Figuren sind gleiche Stoffe bzw. Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kern ist jeweils nichtmetallisch,die Hülle metallisch. Dabei wird unter metallisch ein metallhaltiger Werkstoff verstanden, sei es eine Verbindung ein Gemisch oder dergleichen. Die metallischen Bestandteile der Hülle gestatten eine gute Verbindung der Pulverteilchen nach dem Sintern. Im einfachsten Fall kann das Sintern zugleich dem Aufbringen des Belags auf die Innenseite der Gehäusewand dienen, in dem das Pulver zwischen zwei Ringe eingebracht wird, wovon eine die besagte Innenwand des Gehäuses ist. Das Sintern erfolgt in üblicher Weise in einem an sich bekannten Ofen.

[0009] In Fig. 1 ist ein kugelförmiges Teilchen mit einem keramischen Kern 1, wie BN-, Zr0₂-, A1₂0₃- oder Graphitkern und einer metallischen Hülse 2, z.B. aus Nickel, Aluminium oder Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Mo, Ni-Co, Ni-Ti, Ni-Cu -legierungen. Die Hülle wird durch Beschichten des Kerns auf galvanischem Wege (elektrolytisch) oder nach dem bekannten CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung) erzeugt. Auch andere physikalische Verfahren, wie PVD (= physikalische Dampfabscheidung) sind anwendbar.

[0010] Bevorzugt wird Nickel als Hüllwerkstoff verwendet, weil die Einsatztemperatur ohne schädigende Oxidation sehr hoch liegt (im Bereich um etwa 500° C +/- 5₀⁰ C). Ein Graphitkern wird bevorzugt, weil Graphit ein idealer Schmierstoff für Lager ist und sich bei Dichtungen bestens bewährt hat. Die Teilchen nach Fig. 1 können z.B. kugelförmig sein und einen Durchmesser zwischen etwa 5o und 15o pm aufweisen. Die Härte des, durch im Sinterverfahren aneinandergelagerten Teilchen, hergestellten Belags, ist hauptsächlich von Größe und/oder Menge des Graphits des Kerns sowie dem verwendeten Hüllwerkstoff und dessen Menge bzw. Dicke abhängig. Wird eine hohe Temperaturbeständigkeit des Einlaufbelags gefordert, so kann das Nickel höher legiert werden. Liegen die Einsatztemperaturen gering, kann Nickel auf elektrolytischem Wege, mit Aluminium oder-mit Kupfer legiert, als Hüllwerkstoff aufgebracht werden. Mit Vorteil ist bei Fig. 1 der Volumenteil des Kerns 1 im Teilchen etwa 75 %. Die Dicke der Hülle 2 beträgt etwa 1 - 5 um auf dem Kern,
jedoch nur etwa 1/3 des Gewichtsanteils. Die Teilchen werden in vorteilhafter Weise aneinander gesintert bei geringem Druck,von etwa C^-1 M Pa und einer Temperatur,im Vakuum-Ofen, von etwa über 1000°C bis etwa 1500°C und einer Zeit von einigen Stunden. Von Vorteil ist es,wenn man das zu sinternde Pulver in Formen füllt die, die äußeren Abmessungen des in die Gehäuseringe einzulegenden Belags besitzen. Selbstverständlich sind die Formen,z.B. als radial innenliegende Ringe nach dem Sintern wieder entfernbar. Als außenliegender Ring dient dann die Gehäuseinnenwand,welche vorzugsweise gekühlt wird, wie an sich bekannt.

[0011] Es empfiehlt sich den metallischen Hüllwerkstoff auch danach auszuwählen, daß er sich von einer Verdichter- oder Turbinenschaufel eines Triebwerks leicht abschälen läßt. Hierbei muß noch berücksichtigt werden, daß die meisten bekannten Schaufelwerkstoffe bei hoher Temperatur ihre Härte verlieren. D.h., sie werden beim Anstreifen an den Einlaufbelag sehr heiß und gleichzeitig sinkt ihr Verschleißwiderstand. Dies spricht dafür, wenn es die Einsatztemperatur (Betriebstemperatur) zuläßt, Aluminium oder Kupfer-Nickel als Hüllwerkstoff zu verwenden. Durch Walzen oder Rollen kann der Schichtverbundwerkstoff aus Teilchen noch verdichtet werden zu einem dichten glatten Belag, welcher sehr erosions- und korrosionsfest ist, auch bei den genannten Einsatztemperaturen. Etwa vorhandene Restporosität,insbesondere an der Oberfläche eines Schichtverbundwerkstoffes für den Belag,kann auch durch Infiltrieren von Metallen, Gläsern, Email beseitigt werden.

[0012] In Fig. 2 ist dargestellt, eine Hohlkugel welche sowohl,wie in Fig. 1,mit Graphit gefüllt sein kann, jedoch auch aus Al₂O₃-,ZrO₂-oder dergleichen als Oxidkeramik, einem Glas- oder glashaltigen oder Si0₂-haltigen Kern 4 bestehen kann. Auch sogenannte Glaskeramiken oder metallische Gläser sind gut geeignet. Verbundwerkstoffe aus Teilchen mit kleinen Keramik-Kugeln oder Körnern ergeben eine bessere Wärmeisolation des Belags zum Gehäuse.

[0013] Die Größe und Menge des Kernwerkstoffes ist gleich oder ähnlich wie in Fig. 1 und die Werkstoffe, welche für die Hülle 2 verwendet werden, sind gleich den in Fig. 1.genannten. Die Beschichtung des Kerns mit den Hüllwerkstoffen erfolgt in mehreren Schichten 2a, 2b, ebenfalls auf galvanischem Wege oder mittels PVD- oder CVD-Verfahren. Die Dicke der Schichten liegt in der gleichen Größenordnung. Die Verfahrensbedingungen für das Sintern sollten gleich oder ähnlich wie in Fig. 1 sein. Eine Nachverdichtung oder Glätten der Oberfläche durch Infiltrieren kann ebenso wie dort beschrieben erfolgen.

[0014] Ein Schliffbild durch einen gesinterten Dichtungsbelag aus Verbundwerkstoff zeigt Fig. 3. Durch die innige Verbindung der Teilchen, wie Kugeln oder Körner, untereinander ist eine, etwa durch aggressives Gas einer Gasturbine verursachte Erosion nicht möglich. Fig. 3 zeigt, daß die reine Kugelform im wesentlichen nur beim Ausgangsmaterial (Pulver) vorliegt. Nach dem Sintern kann eine beliebige Kornform vorliegen. Die Fig. 3 zeigt außerdem deutlich das Aneinanderlagern, d.h. die gute Verbindung der Teilchen untereinander, nach dem Sintern mit Hilfe der Hüllwerkstoffe, die relativ frei wählbar sind, in Kombination mit jeweils gewünschten Kernwerkstoffen um die, für den jeweiligen Anwendungsfall, möglichst optimale Eigenschaft des Einlaufbelags zu erzielen.

[0015] Ein Belag kann, wie Fig. 4 zeigt, durch Aneinanderlagern von Teilchen 3 des Verbundwerkstoffs schichartig gebildet werden, wobei die Gefügestruktur durch die Sinterbedingungen in gewünschter Weise beeinflußt werden kann. Z.B. ist in Fig. 4 dargestellt, eine einzige Schicht aus beschichteten Kugeln auf einer Folie 4 als Träger, insbesondere eine 0,2 mm dicke Hastalloy-Metallfolie, aufgesintert und diese bildet so ein gut kleb- bzw. lötbares Band. Die Gesamtdicke des Belags lag bei etwa 1 mm und darüber. Sie ist praktisch unbegrenzt.

[0016] Im Beispiel der Fig. 5 ist ein Mehrschicht-Verbundwerkstoff dargestellt,dessen äußerste Schicht aus sehr feinteiligem (<50µm ") Pulvers besteht und als Deck- oder Sperrschicht zum Gehäuse hin dient.Dann legt man eine Schicht Pulver darunter,aus Hohlkugeln 3a,insbesondere mit keramik- oder glashaltigem oder Metallkeramik oder metallischem Glas-Kern und darunter eine Schicht aus Nickel beschichteten Graphitkugeln (~200µm Ø) 3b. Die einzelnen Schichten können nacheinander oder gemeinsam wie vorbeschrieben,gesintert werden. Gewünschtenfalls kann eine Nachverdichtung oder ein Infiltrieren mit Erzeugung einer dichten und/oder glatten Oberfläche folgen.

[0017] Wie Fig. 5 zeigt ergibt dieser Schicht-Verbundwerkstoff ein Band mit einem Folien-Träger 4 insbesondere für höhere Temperaturen von et wa ≧ 550°C in einer Dicke der Einzelschichten je nach Anwendungsfall wählbar, bevorzugt im o.a. Bereich. Je nach Zusamensetzung schwankt die Härte in Rockwell des gesinterten Belags von etwa + 10 bis - 40 HSR 15 Y und darunter, gegenüber + 20 bis + 60 HSR 15 Y bei einem bekannten flammgespritzten Belag.

[0018] Fig. 6 zeigt eine Ausführung eines Belags bei dem anstelle einer üblichen Folie ein honigwabenartiger Träger 6 verwendet wird,dessen Waben,mit Vorteil,mit beschichteten Pulverteilchen 5 gefüllt sind.

[0019] Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung der vorbeschrie- _benen Werkstoffe für die Teilchen des Verbundwerkstoffes beschränkt, noch auf eine bestimmte Teilchenform oder ein Verfahren ihrer Herstellung, ebenso ist die Aufbringart des Belags je nach Anwendungsfall, d.h. je nach _Strömungs- maschine wählbar, statt Kleben, Löten, Schweißen kann auch ein Diffusions- oder Plattierverfahren, ein Anpreß-, _Aufschrumpfverfahren, Angießen oder ähnliches erfolgen.

[0020] Die _Kernwerkstoffe können aus einer großen Auswahl nahezu beliebig gewählt werden, da sie immer von einer dichten Metallschicht umschlossen sind. Die Hüllwerkstoffe lassen sich ebenfalls in weiten Grenzen wählen. Durch ihren metallischen Anteil lassen sich die Teilchen einerseits leicht verbinden, mit dichter und glatter Oberfläche (_z.B. durch Sintern oder Sintern und Pressen), anderer- _seits läßt sich ihr mengen- und volumenmäßiger Anteil begrenzen und dadurch etwaige schädliche oder nicht gewünschte Nebenwirkungen.

[0021] Die Erfindung ist mit Vorteil anwendbar für Einlaufbeläge _und/oder Dichtungen sowohl für Verdichter als auch Tur- _bi_nen von Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen, gleich ob es sich um Axial- oder Radialströmungsmaschinen handelt.

[0022] Zum Erzeugen einer dichten und/oder glatten Oberfläche sind auch bekannte Verfahren geeignet, wie Energiestrahl (_EB, Laser, Ionen) -härten, -umschmelzen, -legieren, -glasieren etc., Implantieren, Diffundieren, Veredeln.

Ansprüche

1. Einlaufbelag einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, zwecks Verringerung und zum Kleinhalten des Radialspaltes zum Rotor und zur besseren Abdichtung des Gehäuses gegenüber den mit dem Rotor sich drehenden Schaufeln, wobei die Gehäusewand wenigstens einen Ring aus Sintermaterial aufweist der die Schaufelspitzen umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schichtverbundwerkstoff aus einer oder mehreren Schichten von Teilchen, von denen jedes aus einem nichtmetallischen Kern und einer metallischen Hülle besteht, die aneinander gelagert sind durch Abscheiden auf chemischem oder physikalischem Wege aus der Gasphase und durch Sintern auf einem Träger oder direkt auf einem Gehäuseteil aufgebracht einen Dichtungsbelag moderater Härte mit dichter, geschlossener Oberfläche bilden.

2. Belag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle auf den einzelnen Teilchen elektrolytisch oder chemisch (stromlos) aufgebracht ist.

3. Belag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen des Belags pulverförmig sind.

4. Belag nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Kugeln gebildet sind.

5. Belag nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Hohlkugeln gebildet sind.

6. Belag nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugeln mit Gleitmittel gefüllt sind.

7. Belag nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Teilchen aus Graphit besteht oder dieses enthält.

8. Belag nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Teilchen aus einer Metallverbindung wie Oxiden, Nitriden, Siliziden, Carbiden besteht oder solche enthält, insbesondere Glas, Keramik oder Kombinationen der genannten Werkstoffe einschließlich Siliziumverbindungen.

9. Belag nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle der Teilchen aus Nickel oder einer Nickellegierung mit Chrom, Aluminium oder Kupfer besteht.

10. Belag nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle der Teilchen aus einer Nickellegierung gebildet ist, hergestellt durch Eindiffundieren der Zusätze zur Nickelbasis von außen.

11. Belag nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Belag nachverdichtet ist, z.B. durch Walzen.

12. Belag nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Belag verdichtet ist durch Infiltrieren von außen mit Metallen, Gläsern, Email.

13. Belag nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtverbundwerkstoff wenigstens einseitig eine trägerbandartige zusammenhängende vorzugsweise glatte Fläche aufweist.

14. Belag nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einem sandwichartig gebildeten Schichtverbundkörper mit zwei vorzugsweise glatten trägerbandartigen bzw. folienartigen Flächen besteht, von denen eine wieder entfernbar ist.

15. Belag nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Verbundwerkstoff aufklebbar, auflötbar, aufschweißbar ist oder durch Anpressen, Anschmelzen, Angießen, Aufschrumpfen oder Aufplattieren auf der Innenseite der Gehäusewand, welche kühlbar, aufgebracht ist.

Zeichnung