Verfahren zur Bearbeitung einer beschichteten Gasturbinenschaufel und beschichtetes Gasturbinenschaufel

Abstract

 Es wird ein Verfahren zum Bearbeiten einer keramischen Schutzschicht (3), welche auf der Oberfläche (2) eines Gasturbinenteils (1) aufgetragen wird, offenbart. Die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) wird an mindestens einer ersten Stelle (5) reduziert und an mindestens einer zweiten Stelle (6) in der ursprünglichen Rauhigkeit beibehalten. Vorteilhaft wird an ablösegefährdeten Stellen (6) einer Turbinenschaufel (1) die Rauhigkeit beibehalten, während die Rauhigkeit der restlichen Oberfläche (2) zum Zweck eines verschlechterten Wärmeübergangs zur umgebenden Heissgasströmung reduziert wird.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines mit einer keramischen Schutzschicht beschichteten Gasturbinenteils gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein beschichtetes Gasturbinenteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

STAND DER TECHNIK

[0002] Es ist allgemein und zahlreich bekannt, Turbinenschaufeln, also Leit- oder Laufschaufeln von Gasturbinen, mit einer oder mehreren Schutzschichten zu versehen, um die Turbinenschaufel vor den thermischen und mechanischen Belastungen, vor Oxidation oder anderen, schädlichen Einflüssen während des Betriebes zu schützen und die Lebensdauer der Turbinenschaufel auf diese Weise zu verlängern. Dabei besteht eine erste Schutzschicht der Turbinenschaufel in der Regel aus einer metallischen Legierung wie MCrAIY, wobei M für Ni, Co oder Fe steht. Diese Art der metallischen Beschichtung dient als Schutz vor Oxidation. Eine zweite, rauhere Beschichtung aus MCrAlY wird mit anderen Beschichtungsparametern darauf aufgetragen. Diese Schicht wird auch als "bond-coating" bezeichnet. Solche Beschichtungen sind zahlreich aus dem Stand der Technik und beispielsweise aus US-A-3,528,861 oder US-A-4,585,481 bekannt.

[0003] Zudem wird eine weitere Schutzschicht aus TBC (Thermal Barrier Coating), welche aus einem keramischen Material (Y stabilisiertes Zr-Oxid) besteht und als thermischer Schutz dient, aufgebracht. Keramische Beschichtungen und Methoden zur Beschichtung sind beispielsweise aus den Schriften EP-A2-441 095, EP-A1-937,787, US-A-5,972,424, US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-4,321,311, US-A-4,676,994, US-A-5,894,053 bekannt. Die aufgetragenen Schutzschichten haben in der Regel eine relativ hohe Oberflächenrauhigkeit. Diese Oberflächenrauhigkeit beeinflusst aber den Wärmeübergang auf positive Weise, so dass das Grundmaterial mit zunehmender Rauhigkeit thermisch verstärkt belastet wird. Um dies zu vermeiden ist ein Verfahren zur Glättung der Oberfläche beispielsweise aus der Schrift EP-A2-1 088 908 bekannt. Auf der anderen Seite beeinflusst eine aber geschliffene Oberfläche das Strömungsverhalten und insbesondere das Ablöseverhalten negativ.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Wärmeübergang von einem mit einer keramischen Schutzschicht beschichteten Gasturbinenteil, um welches ein Heissgas strömt, zu dem Heissgas verschlechtert wird, so dass ein verbesserter Schutz des Grundmaterials des Gasturbinenteils erreicht wird. Gleichzeitig soll das Strömungsverhaltensverhalten um das Gasturbinenteil und damit der Wirkungsgrad der gesamten Anlage positiv beeinflusst werden. Die Aufgabe besteht weiter darin, ein entsprechendes Gasturbinenteil nach diesem Verfahren herzustellen.

[0005] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Rauhigkeit der bereits aufgetragenen keramischen Schicht auf dem Grundmaterial an mindestens einer ersten Stelle reduziert wird und an mindestens einer zweiten Stelle die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schicht beibehalten wird.

[0006] Die Erfindung besteht auch in einem nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Gasturbinenteil, wobei die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht im Vergleich mit der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit an mindestens einer ersten Stelle auf der Oberfläche reduziert ist und an mindestens einer zweiten Stelle auf der Oberfläche die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht beibehalten ist.

[0007] Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, die Rauhigkeit durch Schleifen, Sandstrahlen, Polieren, Trowalisieren, Bürsten oder auf andere, geeignete Arten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu reduzieren.

[0008] In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Gasturbinenteil um eine Turbinenschaufel, welche mit Y stabilisiertem Zr-Oxid beschichtet ist.

[0009] Um das Ablöseverhalten an der Oberfläche der Turbinenschaufel positiv zu beeinflussen, kann die Rauhigkeit an nur mindestens einer stromabgelegenen Stelle der Turbinenschaufel beibehalten werden, während die restliche Oberfläche der Turbinenschaufel glatt geschliffen wird. An den glatt geschliffenen Teilen der Oberfläche wird der Wärmeübergang damit vorteilhaft reduziert, so dass der Wärmeübergang hier verschlechtert wird, und bei gleicher Kühlleistung das Grundmaterial verbessert gekühlt wird. An den Stellen jedoch, an denen Ablösung droht, bleibt die keramische Schutzschicht rauh, so dass dort eine gewisse Turbulenz erzeugt wird und die Strömung länger anliegt. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage wird durch diese einfache Massnahmen vorteilhaft erhöht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0010] Die Erfindung ist anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert, wobei

Fig. 1

einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel zeigt, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren bearbeitet wurde und

Fig. 2

einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Turbinenschaufel zeigt, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren bearbeitet wurde.

[0011] Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente in unterschiedlichen Figuren sind gleich bezeichnet. Strömungsrichtungen werden durch Pfeile dargestellt.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0012] Die Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Turbinenschaufel 1 einer Gasturbine. Die Turbinenschaufel 1 ist an der Oberfläche 2 mit einer keramischen Schutzschicht 3 beschichtet worden. Die keramische Schutzschicht 3 (engl. Thermal Barrier Coating, TBC), bei der es sich um Y stabilisiertes Zr-Oxid handelt, dient als Schutz vor dem die Turbinenschaufel 1 umströmenden Heissgas 4, dessen Stromlinien in der Figur 1 sichtbar sind.

[0013] Derartige keramische Beschichtungen und Verfahren zur Beschichtung sind beispielsweise aus den Schriften EP-A2-441 095, EP-A1-937,787, US-A-5,972,424, US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-321, 311, US-A-4,676,994, US-A-5,894,053 bekannt. Es dabei bekannt, dass die aufgetragene Schutzschicht eine gewisse Oberflächenrauhigkeit aufweist.

[0014] Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, die Rauhigkeit der bereits aufgetragenen keramischen Schicht 3 an mindestens einer ersten Stelle 5 an der Oberfläche zu reduzieren, während die Rauhigkeit an mindestens einer zweiten Stelle 6 wie nach dem Beschichtungsvorgang erhalten bleibt. Beispielsweise kann also die Durchschnittsrauhigkeit (R_a, average roughness) an der ersten Stelle 5 auf maximal 1/3 der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit reduziert werden. Die Rauhigkeit R_T wird sich damit beispielsweise von etwa 50 µm auf 20 µm reduzieren. Eine solche Glättung der TBC Oberfläche senkt die Wärmeübergangszahl um 20% bis 30%. Dies bringt also einen deutlich verbesserten Schutz des eingesetzten Grundmaterials 1 vor den Heissgasen 4 an diesen Stellen 5.

[0015] Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, die Rauhigkeit durch Schleifen, Sandstrahlen, Polieren, Trowalisieren, Bürsten oder auf andere, geeignete Arten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu reduzieren. Zu Schleifen besonders geeignet sind Siliziumkarbid oder Diamanten, welche mit einer Kunststoffbindung auf Bändern oder Scheiben befestigt sind.

[0016] In einer ersten Ausführungsform (Fig. 1) kann die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht 3 an mindestens einer stromabgelegenen Stelle 6, an der die Ablösung der Heissgasströmung stattfindet, beibehalten werden. Das Ablösegebiet 7 wird somit insgesamt kleiner ausfallen im Vergleich mit einer gänzlich geglätteten Oberfläche, da an der ablösegefährdeten Stelle 6 eine gewisse Turbulenz, die der Ablösung entgegenwirkt, erhalten bleibt.

[0017] Die restliche keramische Schutzschicht 3 wird zum Zwecke eines verschlechterten Wärmeübergangs glattschliffen, d.h. auf maximal 1/3 der ursprünglichen Rauheit reduziert. Dies bedeutet für die Praxis, dass die Durchschnittsrauhigkeit R_a kleiner als 5 µm ist. An den glatt geschliffenen Teilen der Oberfläche wird der Wärmeübergang damit vorteilhaft reduziert, so dass der Wärmeübergang hier weiter verschlechtert wird, und somit ― bei gleicher Kühlleistung ― das Grundmaterial verbessert gekühlt wird.

[0018] Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage wird durch diese einfache Massnahmen vorteilhaft erhöht.

[0019] In der zweiten Ausführungsform der Turbinenschaufel 1 gemäss der Figur 2 wird die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht 3 an verschiedenen Stellen 6 an der stromabgelegenen Seite der Turbinenschaufel 1 beibehalten. Die Stellen 6 sind jedoch nicht zusammenhängend, sondern unabhängig voneinander. Diese Massnahme dient weiter dazu, das Ablöseverhalten positiv zu beeinflussen. Zwischen diesen Stellen 6 wird zum Zwecke des verschlechterten Wärmeübergangs die Rauhigkeit wiederum ganz reduziert.

[0020] Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsbeispiele reduziert, sondern bezieht sich allgemein auf Gasturbinenteile 1, die mit einer keramischen Schutzschicht 3 beschichtet sind.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0021] 

1

Turbinenschaufel, Gasturbinenteil

2

Oberfläche der Turbinenschaufel 1

3

Keramische Schutzschicht

4

Heissgas

5

Stellen der Schutzschicht 3, bearbeitet

6

Stellen der Schutzschicht 3, unbearbeitet

7

Ablösegebiet

Ansprüche

1. Verfahren zum Bearbeiten einer keramischen Schutzschicht (3), welche auf der Oberfläche (2) eines Gasturbinenteils (1) aufgetragen wird, wobei die keramische Schutzschicht (3) nach dem Auftragen auf der Gasturbinenteil (1) eine gewisse Rauhigkeit aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauhigkeit der bereits aufgetragenen keramischen Schicht (3) auf dem Grundmaterial (1) an mindestens einer ersten Stelle (5) reduziert wird und an mindestens einer zweiten Stelle (6) die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schicht (3) beibehalten wird.

2. Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauhigkeit der aufgetragenen keramischen Schicht (3) an der ersten Stelle (5) auf bis maximal 1/3 der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit reduziert wird.

3. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasturbinenteil (1) eine Turbinenschaufel (1) ist und die Rauhigkeit nur an mindestens einer der Strömung abgewandten und ablösegefährdeten Stelle (6) auf der Turbinenschaufel (1) beibehalten wird und auf der restlichen Oberfläche (2) der Turbinenschaufel (1) die Rauhigkeit reduziert wird.

4. Bearbeitungsverfahren Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasturbinenteil (1) mit Y stabilisiertem Zr-Oxid beschichtet wird.

5. Bearbeitungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauhigkeit durch Schleifen, Sandstrahlen, Polieren, Trowalisieren, Bürsten oder auf andere, geeignete Art reduziert wird.

6. Gasturbinenteil (1) mit einer keramischen Schutzschicht (3), wobei die Schutzschicht (3) nach dem Auftragen auf das Gasturbinenteil (1) eine bestimmte Rauhigkeit aufweist, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) im Vergleich mit der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit an mindestens einer ersten Stelle (5) auf der Oberfläche reduziert ist und an mindestens einer zweiten Stelle (6) auf der Oberfläche die ursprüngliche Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) beibehalten ist.

7. Gasturbinenteil (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) an der ersten Stelle (5) auf bis maximal 1/3 der ursprünglichen Durchschnittsrauhigkeit reduziert ist.

8. Gasturbinenteil (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasturbinenteil (1) eine Gasturbinenschaufel (1) ist und die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) lediglich an mindestens einer der Strömung abgewandten und ablösegefährdeten Stelle (6) der Turbinenschaufel (1) beibehalten ist und Rauhigkeit der restlichen Oberfläche der keramischen Schicht (3) reduziert ist.

9. Gasturbinenteil (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauhigkeit der keramischen Schutzschicht (3) an verschiedenen, unzusammenhängenden Stellen (6) der Turbinenschaufel (1) beibehalten ist und zwischen diesen Stellen (6) und die Rauhigkeit der restlichen Oberfläche der keramischen Schicht (3) reduziert ist.

10. Gasturbinenteil (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gasturbinenteil (1) mit Y stabilisiertem Zr-Oxid beschichtet ist.

Zeichnung