Einrichtung mit rotierfähigem Körper, Gehäuse und dazwischen liegendem Dichtspalt

Abstract

 Die Einrichtung umfasst einen rotierfähigen Körper (1), insbesondere das Laufrad einer Gasturbine, ein Gehäuse (2) und einen dazwischen liegenden Dichtspalt (3). Der Körper (1) ist bezüglich einer Drehachse (4) rotationssymmetrisch ausgebildet. Das Gehäuse weist einen ringförmigen Bereich (20) auf, der den Körper konzentrisch umschliesst. Der Dichtspalt, der innerhalb des ringförmigen Bereichs angeordnet ist, weist labyrinthartige Strukturelemente (14, 140) auf. Erfindungsgemäss sind die Oberflächenbereiche (11) des rotierfähigen Körpers beim Dichtspalt verbundartig ausgebildet. Der Verbund (12, 13) umfasst eine metallische Matrix (12) mit einer darin eingebetteten strukturierten Keramik (13). Teile der keramischen Phase treten an der Oberfläche als Erhebungen (14) aus dem Verbund heraus und bilden dadurch die labyrinthartigen Strukturelemente.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit rotierfähigem Körper, Gehäuse und dazwischen liegendem Dichtspalt gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Teil dieser Einrichtung und auf die Herstellung dieses Teils.

[0002] Gattungsgemässe Einrichtungen sind spezielle Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, aber auch Zentrifugalpumpen. Es ist ferner möglich, dass der rotierfähige Körper eine in einem Gehäuse angeordnete Welle ist, die zusammen mit dem Gehäuse in bezug auf ein axial strömendes Medium eine Labyrinthdichtung bildet.

[0003] Aus der Offenlegungsschrift DE-A 41 07 416 ist ein Gussverfahren zur Herstellung von partiell verschleissgeschützten Gussstücken bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Penetrationsverbund aus einem Giessmetall und Hartstoffteilchen hergestellt, wobei die Hartstoffteilchen zusammen mit Binde- und Flussmittel in die Form von porösen Trägerkernen gebracht werden und diese Trägerkerne in den Hohlraum einer Gussformschale eingesetzt werden.

[0004] Aus der Patentschrift US 4 735 656 ist bekannt, dass man die Spitzen von Turbinenschaufeln mit einem Komposit oder Verbund, der sich aus einer Metallmatrix und keramischen Partikeln zusammensetzt, panzern kann. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das abrasive Material aus einem Pulvergemisch von Metall und Keramik hergestellt, wobei das Gemisch auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Metall schmilzt und so nach dem Erstarren den Verbund erzeugt.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von an sich bekannten Herstellverfahren eine Weiterentwicklung der gattungsgemässen Einrichtung zu schaffen, die bezüglich des Dichtspalts vorteilhaft ausgebildet ist. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gegeben.

[0006] In der EP-A 0 575 685 (= P.6507) ist näher beschrieben, wie eine Turbinenschaufel mit gepanzerter Schaufelspitze als Gussstück mit eingelagertem keramischem Material hergestellt werden kann. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der poröse Keramikkörper als keramisches Gerippe mit offenzelliger Schaumstrukur vor. Für die mit diesem Verbund gebildete Panzerung der Schaufelspitze ist eine glatte Oberfläche vorgesehen. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der Verbund an der abrasiven Oberläche solcherart ausgeführt, dass die keramische Phase an der Oberfläche Erhebungen bildet, die aus dem Verbund heraustreten. Diese Eigenschaft erhält man beispielsweise dadurch, dass man die metallische Matrix an der Oberfläche wenige Zehntelmillimeter tief selektiv wegätzt.

[0007] Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Erhebungen der keramischen Phase in Form von labyrinthartigen Strukturelementen vorliegen. Im Hinblick auf diese Eigenschaft ist es vorteilhaft, wenn gemäss Anspruch 2 für die strukurierte Keramik eine wabenförmig ausgebildete Struktur gewählt wird. Im fertiggestellten Produkt stehen die Wabenwände, die teilweise über die Metallmatrix herausragen, im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche oder schliessen einen spitzen Winkel mit der Oberflächennormalen ein. Die Wabenstruktur lässt sich beispielsweise mittels eines Extrusionsverfahren - gleich wie bei der Herstellung von Autokatalysatoren - und durch anschliessendes Trennen in produktgemässe Teile erzeugen.

[0008] Die Lehre der vorliegenden Erfindung hat ein relativ breites Anwendungsgebiet (siehe Einleitung sowie Anspruch 10). Die Erfindung wird aber im folgenden lediglich anhand der Anwendung auf Gasturbinen (gemäss den Ansprüchen 5 bis 9 sowie 11 bis 14) näher erläutert.

[0009] Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen einer Laufradschaufel einer Gasturbine ist in Anspruch 12 gekennzeichnet. Es ist möglich, die Schmelze so erstarren zu lassen, dass sich ein Stengelkristallgefüge ausbildet (Anspruch 13) oder dass ein Einkristallgefüge entsteht (Anspruch 14). Die Ansprüche 3 und 4 beziehen sich auf Erzeugnisse, die nach den Ansprüchen 13 bzw. 14 hergestellt sind.

[0010] Es ist bei Gasturbinen bekannt, die Statoroberfläche beim Dichtspalt mit einem keramischen Material zu beschichten, insbesondere mit Zirkoniumoxid (mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid, z.B. ZrO₂·Y₂O₃. Mit dieser Materialwahl erhält man eine Beschichtung, die sowohl die Funktion einer thermischen Dämmschicht als auch die Funktion einer Anstreifschicht aufweist). Eine solche Beschichtung muss der maximalen Arbeitstemperatur des Gasstroms (1200 - 1400°C) standhalten können. Beispielsweise durch Verformungen des Gehäuses aufgrund von thermischen Spannungen kann es zur Berührung zwischen den Schaufeln des rotierenden Laufrads und der Statoroberfläche kommen.

[0011] Bei solchen Berührungen können durch Reibung lokal Temperaturen bis gegen 3000°C entstehen. Damit die Schaufelpanzerung widerstandsfähiger als die Statoroberfläche ist, muss die Schmelztemperatur des eingelagerten keramischen Materials bezüglich der durch die Reibung erzeugten Temperatur ausreichend gross sein (Anspruch 7). Wie Anstreifversuche ergeben haben, ist dies insbesondere für keramische Materialien der Fall, die in den Ansprüchen 8 und 9 genannt sind.

[0012] Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine Gasturbine,

Fig. 2

eine Turbinenschaufel,

Fig. 3

die Spitze einer erfindungsgemässen Turbinenschaufel,

Fig. 4

einen Schnitt durch eine keramische Wabenstrukur, die in eine Metallmatrix eingebettet ist, und

Fig.5-7

Schnitte senkrecht zum Schnitt der Fig.4 für drei Ausbildungsformen der keramischen Struktur.

[0013] In Fig.1 sind folgende Teile einer Gasturbine zu sehen: Das Laufrad 1 (Rotor) mit der Drehachse 4; Turbinenschaufeln 10 auf dem Laufrad 1; ein ringförmiger Bereich 20 (Stator) des Gehäuses 2, der das Laufrad konzentrisch umschliesst; ein Dichtspalt 3 zwischen den Schaufeln 10 und der inneren Gehäuseoberfläche; sowie Statorschaufeln 10'. Die Breite des Dichtspalts 3 ist minimal gehalten; es kann daher während des Betriebs zur Berührung zwischen den Schaufeln und dem Stator kommen.

[0014] Die Statoroberfläche und die Schaufelspitzen sollen derart ausgebildet sein, dass die Schaufeln beim Anstreifen nicht beschädigt werden. (Für nähere Erläuterungen zu dieser Problematik siehe beispielsweise: M.Borel, R.Schmid "Abradables Increase Turbine Blade Life" SULZER TECHNICAL REVIEW 4/1990, p.7-11).

[0015] Fig.2 zeigt vergrössert eine perspektivische Darstellung der Turbinenschaufel 10. In Fig.3 ist deren Spitze detaillierter gezeigt: Der Oberflächenbereich 11 über der gestrichelt gezeichneten Linie 11' ist erfindungsgemäss als Verbund einer strukurierten keramischen Phase mit einer Metallmatrix ausgebildet. Die labyrinthartigen Strukturelemente werden aus Teilen der Strukturkeramik gebildet, die als Erhebungen 14 aus dem Verbund heraustreten. Der Pfeil 15 gibt die Bewegungsrichtung der Schaufelspitze an.

[0016] Die Figuren 4 bis 7 beziehen sich auf den Verbund, der sich aus einer wabenförmigen Strukturkeramik 13 und einer metallischen Matrix 12 zusammensetzt, wobei dieser Verbund als Panzerung einer Turbinenschaufel vorgesehen ist. Fig.4 ist ein Schnitt nach der Linie IV - IV in Fig.5, während Fig.5 ein Schnitt nach der Linie V - V in Fig.4 ist. In Fig.5 ist zusätzlich die Statoroberfläche 21' und der Dichtspalt 3 dargestellt. Der Pfeil 15 gibt die Drehrichtung des Laufrads 1 (Fig.1) an. Teile der keramischen Phase 13 stehen mit den Erhebungen 14 aus dem Verbund 12, 13 in den Dichtspalt 3 hinein. Zwischen den Erhebungen 14 befinden sich Zellen 140 der Labyrinthdichtung. Die Statoroberfläche 21' liegt als eine Beschichtung 21 aus beispielsweise Zirkoniumoxid vor. Die Strukturkeramik 13 besteht aus einem Material, das im Betriebszustand der Gasturbine widerstandsfähiger als die Beschichtung 21 ist.

[0017] Bei einer allfälligen Streifberührung der Erhebungen 14 an der Statoroberfläche 21' soll es zu einem Materialabtrag an der Beschichtung 21 kommen. Die Erhebungen 14 sollen möglichst als "Schneiden" gestaltet sein, damit die Berührungsflächen möglichst klein ausfallen. Bei einem derartigen Materialabtrag entsteht vorteilhafterweise weniger Reibungswärme als bei anderen Abtragsmechanismen, bei denen starke plastische Verformungen auftreten; und damit sind auch die lokalen Temperaturerhöhungen geringer und somit weniger schädlich. Die Figuren 5 bis 7 zeigen drei Beispiele für die Geometrie der Erhebungen 14. Die Wabenwände 13a stehen senkrecht zur Oberfläche (Fig.5, 6) und weisen eine oder zwei abgeschrägte Flanken 14a bzw. 14b auf. Die Wabenwände 13a können auch einen spitzen Winkel mit der Oberflächennormalen 16 bilden (Fig.7).

[0018] Die Strukturkeramik kann mittels verschiedener bekannter Verfahren hergestellt werden: beispielsweise mit Extrudier- oder Giessverfahren (das anschliessende Sintern miteingeschlossen) oder mit thermischem Spritzen. Die derart erzeugte Strukturkeramik wird unter Verwendung von beispielsweise Trennscheiben oder mittels Hochdruck-Wasserstrahl in Stücke mit der produktgemässen Form zugeschnitten. Die "Schneidengeometrie" der Erhebungen 14 kann beim Vornehmen des Zuschnitts eingestellt und aufgrund von Ergebnissen aus Anstreifversuchen ("abradable tests") optimiert werden.

[0019] Die Turbinenschaufeln werden mit bekannten Präzisionsguss- oder Feingussverfahren hergestellt (siehe z.B. EP-A 0 477 136 = P.6388). Der Abguss erfolgt unter Vakuum oder Schutzgas. Für Stengelkristallgefüge wird mit einer unten offenen Formschale, die vorgeheizt auf eine Kühlplatte montiert wird, abgegossen. Für Einkristallgefüge ist zwischen Kühlplatte und Werkstück zusätzlich ein Selektionssystem in der Formschale integriert. Versuche haben ergeben, dass die eingelagerten Keramikstrukturen keine Wachstumsstörungen bei der Ausbildung von Stengel- oder Einkristallgefügen zur Folge haben. Für eine Fixierung der Strukturkeramik in der Formschale sind an geeigneten Stellen Verankerungslappen vorgesehen; zum gleichen Zweck können auch Platinstifte (sogenannte Pins) verwendet werden.

[0020] Als Material für die Strukturkeramik kommen ausser den in den Ansprüchen 8 und 9 aufgeführten Stoffen oder Stoffgemischen beispielsweise auch Thoriumoxid ThO₂, das einen hohen Schmelzpunkt (3573 K) aufweist, in Frage. Die in Anspruch 9 genannten Nitride weisen den Vorteil auf, dass sie oxidationsresistent sind und überdies keine Reaktionen mit der metallischen Matrix eingehen. Bei den Karbiden ist eine Trennschicht aus Boriden vorgesehen, um beispielsweise bei einer keramischen Phase aus SiC und einer metallischen Phase aus einer Nickelbasislegierung Reaktionen zwischen Ni und Si sowie C zu verhindern. Die Trennschicht erzeugt man durch Beschichten der Strukturkeramik vor dem Herstellen des Verbunds.

[0021] Bei der Bearbeitung des Gussstücks wird an der Schaufelspitze durch Schleifen und Läppen sowie durch anschliessendes Tiefätzen der metallischen Matrix die wirkungsvollste Schneiden- und Labyrinthausbildung erzeugt. Da die Schaufelspitzen in der Gasturbine hohen Temperaturen ausgesetzt werden, müssen sie gegebenenfalls gegen Oxidation geschützt werden. Dies erreicht man beispielsweise mittels Aluminieren.

Ansprüche

1. Einrichtung mit rotierfähigem Körper (1), Gehäuse (2) und dazwischen liegendem Dichtspalt (3), wobei der Körper bezüglich einer Drehachse (4) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, das Gehäuse einen ringförmigen Bereich (20) aufweist, der den Körper konzentrisch umschliesst, und der Dichtspalt, der innerhalb des ringförmigen Bereichs angeordnet ist, labyrinthartige Strukturelemente (14, 140) aufweist,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche (11) des rotierfähigen Körpers beim Dichtspalt verbundartig ausgebildet sind, wobei der Verbund (12, 13) eine metallische Matrix (12) mit einer darin eingebetteten strukturierten Keramik (13) umfasst und Teile der keramischen Phase an der Oberfläche als Erhebungen (14) aus dem Verbund heraustreten und dadurch die labyrinthartigen Strukturelemente bilden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukurierte Keramik (13) wabenförmig ausgebildet ist und die Erhebungen (14) an der Oberfläche des rotierfähigen Körpers (1) durch Wabenwände (13a) gebildet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Phase (12) der kompositartigen Struktur in Form eines Stengelkristallgefüges vorliegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Phase (12)der kompositartigen Struktur in Form eines Einkristallgefüges vorliegt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Strömungsmaschine ist, deren Laufrad mit dem rotierfähigen Körper (1) identisch ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Gasturbine ist, die Oberfläche des Gehäuses beim Dichtspalt mit einem keramischen Material (21), insbesondere Zirkoniumoxid, beschichtet ist und die Schaufelspitzen (11, 14) des Laufrads (1) mit der keramischen Phase (13) gepanzert sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Phase (13) der Schaufelspitzen aus einem Material besteht, dessen Schmelzpunkt höher als rund 2600 K ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Phase (13) der Schaufelspitzen aus einem der folgenden Stoffe oder Stoffgemische besteht: mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid ZrO₂(Y₂O₃) oder Hafniumoxid HfO₂(Y₂O₃); oder auch ein Gemisch dieser Materialien, wobei zusätzlich rund bis zu 40% Aluminiumoxid Al₂O₃ zugemischt sein kann.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Phase (13) der Schaufelspitzen aus einem der folgenden Stoffe oder Stoffgemische besteht: Siliziumnitrid Si₃N₄, Siliziumaluminiumoxinitrid SiAlON oder ein Gemisch dieser Stoffe; oder auch Siliziumkarbid SiC, Zirkoniumkarbid ZrC oder ein Gemisch dieser Stoffe, wobei zwischen der Metallmatrix (12) und der keramischen Phase eine Trennschicht aus Boriden, beispielsweise Titanborid TiB₂ oder Zirkoniumborid ZrB₂, oder Oxiden, beispielsweise Zirkoniumoxid oder Hafniumoxid, vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Zentrifugalpumpe ist.

11. Laufradschaufel zu einer Gasturbine gemäss einem der Ansprüche 6 oder 7 und mit einer Gefügestruktur der Verbundmatrix (12) nach einem der Ansprüche 3 oder 4.

12. Verfahren zum Herstellen einer Laufradschaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel als Präzisionsguss hergestellt wird, wobei die keramische Struktur für die Panzerung in die Formschale an der für die Schaufelspitze vorgesehenen Stelle eingelagert wird, so dass die Schmelze der Gusslegierung während des Giessens in die keramischen Strukturen eindringen und dabei die Matrix bilden kann, und dass am fertiggestellten Gussstück die metallische Phase der Panzerung an der Oberfläche weggeätzt wird, so dass sich durch die keramische Phase die genannten Erhebungen der Labyrinthdichtung ergeben.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine unten offene Formschale verwendet wird, dass vor dem Abguss die Formschale auf eine Temperatur vorgeheizt, die über der Liquidustemperatur der Schmelze liegt, sowie auf eine Kühlplatte montiert wird und dass der Abguss unter einem Schutzgas oder in einer evakuierten Kammer vorgenommen wird, wobei beim Erstarren des Gusses sich in der Regel ein Stengelkristallgefüge ausbildet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der unteren Öffnung der Formschale zusätzlich ein Selektionssystem vorgesehen ist, mittels dessen beim Erstarren des Gusses sich in der Regel ein Einkristallgefüge anstelle des Stengelkristallgefüges ergibt.

Zeichnung