SCHAUFELANORDNUNG EINER GASTURBINE

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Strömungsmaschinen, insbesondere der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufelanordnung einer thermischen Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Für den Wirkungsgrad einer Gasturbine ist es von grosser Wichtigkeit, insbesondere im Turbinenteil, in dem die heissen Gase aus der Brennkammer entspannt werden, die zwischen dem beschaufelten drehenden Rotor und dem umgebenden Stator auftretenden Spalte im Bereich der Beschaufelung möglichst klein zu halten.

[0003] Im einfachsten Fall, wie dies in Fig. 1 anhand der Schaufelanordnung 10 wiedergegeben ist, werden für eine Optimierung der Spaltbreite keine speziellen Massnahmen ergriffen: Die in den Heissgaskanal 13 der Gasturbine radial hineinragenden, um die Achse 16 drehenden Laufschaufeln 11 enden in einer mit einer ersten Abdeckschicht 15 versehenen Schaufelspitze 27, die mit einem Spiel 25 einem die äussere Wand 26 des Heissgaskanals 13 bildenden Hitzeschild 12 gegenüberliegt, welcher mit einer zweiten Abdeckschicht 14 versehen ist. Die Abdeckschichten 14 und 15, die beispielsweise aus MCrAIY bestehen können, schützen die Bauteile 11 und 12 vor den schädlichen Einwirkungen der heissen Gase im Heissgaskanal 13, insbesondere vor unerwünschter Oxidation. Die Schaufelanordnung 10 der Fig. 1 ist nicht für ein Einschleifen der Schaufelspitzen 27 in den Hitzeschild 12 ausgelegt. Das Spiel 25 zwischen den Schaufelspitzen 27 und dem Hitzeschild 12 berücksichtigt die verschiedenen Wärmedehnungen und ist daher vergleichsweise gross, um ein Schleifen der Bauteile im Betrieb zu vermeiden.

[0004] Um das Spiel 25 reduzieren zu können, sind Schaufelanordnungen 20 gemäss Fig. 2 vorgeschlagen worden (siehe z.B. die EP-A2-0 166 676, EP-A2-1 312 760 oder die US-A1-2008166225), bei denen an der Schaufelspitze 27 der Laufschaufeln in eine Trägerschicht 19 eingebettet Schleifkörper (Körner) 21 (z.B. aus Siliziumkarbid oder kubischem Bornitrid cBN) angeordnet sind, mit denen sich die Schaufelspitze 27 im Betrieb in eine abschleifbare Wärmedämmschicht 18 (Thermal Barrier Coating TBC) auf dem gegenüberliegenden Hitzeschild 12 einschleifen kann. Als Trägerschicht 19 für die Schleifkörper 21 kann beispielsweise eine Schicht aus metallischem MCrAIY verwendet werden, ebenso wie als Haftschicht 17 unter der Wärmedämmschicht 18.

[0005] Die Schleifschicht 19, 21 einer solchen Schaufelanordnung ist durch die eingelagerten Schleifkörper vergleichsweise komplex aufgebaut und daher aufwändig in der Herstellung.

[0006] Dokument US-A1-5 883 314 offenbart ein Verfahren zur Herstellung abreibbarer Beschichtungen auf thermisch beanspruchten Komponenten von Gasturbinen, welche sich durch gute Abriebeigenschaften bei gleichzeitig hoher Bindungswirkung an das Substrat auszeichnen. Einsatzgebiete sind Statorteile des Heißgaskanals oder Schaufelteile. Schichtartig aufgebaute biegsame Vorformlinge auf Basis modifizierter MCrAIY-Legierungen werden auf die fraglichen Bereiche der Turbinenkomponente, beispielsweise die Schaufelspitze, aufgebracht und mit ihr metallurgisch verbunden. Die Herstellung der mehrschichtigen Vorformlinge ist vergleichsweise aufwändig.

[0007] EP-A2-0 965 730 offenbart geeignete Materialkombinationen in Wechselwirkung stehender abrasiver und abreibbarer Oberflächen in Gasturbinen, insbesondere Hitzeschild und Laufschaufelspitze, basierend auf einer abrasiv ausgerüsteten Schaufelspitze und einer abreibbar ausgerüsteten Oberfläche des Hitzeschilds. Der Hitzeschild besitzt eine erosionsbeständige Oberfläche aus einem ersten keramischen Material, welche mittels einer Haftschicht fest mit dem Substrat verbunden ist. In einem begrenzten Bereich, dem Kontaktbereich mit der rotierenden Schaufelspitze, ist eine abreibbare Verschleißschicht aus einem zweiten keramischen Material aufgebracht. Die einwirkende Laufschaufelspitze ist mit einer abrasiven Beschichtung, vorzugsweise gemäß US-A-4 936 745, also mit in eine metallische Trägerschicht eingebetteten Schleifkörpern aus Siliziumkarbid oder kubischem Bornitrid, ausgerüstet. Auch diese Lösung zeichnet sich durch aufwändig ausgerüstete Oberflächen der beteiligten Komponenten aus.

[0008] Die Druckschrift US-A1- 2003/175116 beschreibt eine abreibbare Beschichtung für Statorkomponenten eines Verdichters oder einer Gasturbine. Schaufelspitze und Hitzeschild weisen Mittel auf, welche ein gezieltes Einschleifen der Schaufelspitze in den Hitzeschild ermöglichen. Der Hitzeschild selbst weist als äussere Schicht eine poröse Wärmedämmschicht mit polygonalen Vertiefungen (Fig. 6) oder in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten, begrenzt von Wandvorsprüngen (Fig. 7, 8), auf, während die Laufschaufelspitze mit einer umlaufenden Schneidkante (Fig. 4, 5) zum Einschneiden in die abreibbare Beschichtung des Hitzeschildes ausgerüstet ist. Die Ausrüstung der Schaufelspitze mit umlaufenden Schneidkanten erhöht den Herstellungsaufwand und - jedenfalls bei einem Einsatz in der Gasturbine - den Aufwand für die Schaufelkühlung in diesem Bereich.

Darstellung der Erfindung

[0009] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaufelanordnung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Schaufelanordnungen vermeidet und bei einfachem Aufbau ein vergleichbares Einschleifverhalten erzeugt, ohne dass an der Schaufelspitze eine spezielle Schleifschicht vorgesehen werden muss.

[0010] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Hitzeschild als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht aus einer porösen Keramikschicht aufweist, und dass die Schaufelspitze lediglich mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht aus MCrAIY versehen ist. Die poröse Wärmedämmschicht ermöglicht es der mit der Abdeckschicht bedeckten Schaufelspitze, sich auch ohne spezielle Schleifkörper bzw. Schleifschicht in den Hitzeschild einzuschleifen und so das Spiel zwischen Schaufelspitze und gegenüberliegendem Hitzeschild optimal zu minimieren.

[0011] Grundsätzlich ist die Schaufel eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer thermischen Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei im Falle einer Leitschaufel der Schaufelspitze ein am Rotor befestigter Hitzeschild gegenüberliegt. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaufel eine um die Achse rotierende Laufschaufel, während der Hitzeschild am Stator der Gasturbine ortsfest montiert ist.

[0012] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die poröse Keramikschicht aus YSZ, besteht. Vorzugsweise ist dabei die Porosität der Wärmedämmschicht grösser als 20 %.

[0013] Zwischen dem Hitzeschild und der Wärmedämmschicht ist mit Vorteil eine Haftschicht, insbesondere aus MCrAIY, angeordnet.

[0014] Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0015] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

in einer stark vereinfachten Darstellung eine frühere Schaufelanordnung ohne die Möglichkeit des Einschleifens;

Fig. 2

in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine andere frühere Schaufelanordnung mit einer speziellen Schleifschicht auf der Schaufelspitze und

Fig. 3

in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine für das Einschleifen vorgesehen Schaufelanordnung mit einer einfachen Abdeckschicht auf der Schaufelspitze gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0016] In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Schaufelanordnung 30 nach der Erfindung wiedergegeben. In dem Beispiel steht wiederum einer um die Achse 16 der Gasturbine drehbaren Laufschaufel 11 mit der Schaufelspitze 27 ein Hitzeschild 12 mit Spiel 25 gegenüber. Das Spiel 25 und damit der Wirkungsgrad der Turbine werden durch Einschleifen der Schaufelspitze 27 in die Beschichtung 22, 23 des Hitzeschilds 12 optimiert (in Fig. 3 ist der mögliche Einschleifbereich 28 am Hitzeschild durch eine gestrichelte Linie angedeutet).

[0017] Als beim Einschleifen abzuschleifende Schicht ist am Hitzeschild 12 eine Wärmedämmschicht 23 vorgesehen, die über eine dazwischen liegende Haftschicht 22 mit dem Substrat des Hitzeschilds 12 verbunden ist. Als Haftschicht 22 kann in üblicher Weise eine metallische Oxidationsschutzschicht aus MCrAIY vorgesehen werden.

[0018] Bei Versuchen hat sich nun herausgestellt, dass ein Einschleifen der Schaufelspitze in die Wärmedämmschicht 23 auch ohne spezielle Schleifschicht auf der Schaufelspitze 27 möglich ist und zu guten Resultaten führt, wenn die Wärmedämmschicht 23 - ohne ihre thermischen Eigenschaften zu verlieren - ausreichend leicht abzuschleifen ist. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass eine poröse Wärmedämmschicht 23 aus einer porösen Keramikschicht, die insbesondere aus YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid) bestehen kann, verwendet wird, wobei die Porosität beispielsweise durch eingelagerte Polymere erzeugt wird, die später ausgeheizt werden. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Porosität der Wärmedämmschicht grösser als 20 % ist, also beispielsweise im Bereich von 22-24 % liegt.

[0019] Bei einer solchen porösen Wärmedämmschicht 23 ist beim Einschleifen der Abrieb an der Schaufelspitze 27 gegenüber der Tiefe des Einschleifbereichs 28 vergleichsweise klein, so dass auf eine spezielle Schleifschicht an der Schaufelspitze 27 verzichtet werden kann. Es reicht daher aus, wenn die Schaufelspitze 27 mit einer homogenen Abdeckschicht 24 (ohne Schleifkörper) aus MCrAIY bedeckt ist, die als Schutzschicht gegen die Oxidation des Schaufelmaterials ohnehin vorgesehen ist.

[0020] Auf diese Weise brauchen an der Schaufel 11 keine besonderen Vorkehrungen für das Einschleifen getroffen werden, wodurch sich die Herstellung der Schaufel 11 wesentlich vereinfacht.

Bezugszeichenliste

[0021] 

10,20.30

Schaufelanordnung (Gasturbine)

11

Laufschaufel

12

Hitzeschild

13

Heissgaskanal

14,15,24

Abdeckschicht

16

Achse

17,22

Haftschicht

18,23

Wärmedämmschicht (TBC)

19

Trägerschicht

21

Schleifkörper

25

Spiel

26

Wand (Heissgaskanal)

27

Schaufelspitze

28

Einschleifbereich

Ansprüche

1. Schaufelanordnung (30) einer thermischen Strömungsmaschine mit wenigstens einer Schaufel (11), welche in radialer Richtung in einen zu einer Achse (16) konzentrisch angeordneten Heissgas durchströmten Kanal (13) hineinragt und in einer Schaufelspitze (27) endet, die mit einem Spiel (25) einem den Kanal (13) begrenzenden Hitzeschild (12) gegenüber liegt, wobei die Schaufel (11) und der Hitzeschild (12) in Umfangsrichtung relativ zueinander beweglich sind, und die Schaufelspitze (27) und der Hitzeschild (12) mit Schichten (22, 23, 24) bedeckt sind, welche ein gezieltes Einschleifen der Schaufelspitze (27) in den Hitzeschild (12) ermöglichen, und wobei der Hitzeschild (12) als äussere, abschleifbare Schicht eine poröse Wärmedämmschicht (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Wärmedämmschicht (23) eine poröse Keramikschicht ist und dass die Schaufelspitze (27) lediglich mit einer homogenen metallischen Abdeckschicht (24) aus MCrAlY versehen ist.

2. Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Strömungsmaschine eine Gasturbine ist, dass die Schaufel eine um die Achse (16) rotierende Laufschaufel (11) ist, und dass der Hitzeschild (12) am Stator der Gasturbine ortsfest montiert ist.

3. Schaufelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Keramikschicht aus YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid) besteht.

4. Schaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Wärmedämmschicht (23) grösser 20 % ist.

5. Schaufelanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das zwischen dem Hitzeschild (12) und der Wärmedämmschicht (23) eine Haftschicht (22), insbesondere aus MCrAlY, angeordnet ist.

6. Schaufelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (11) Teil der ersten Laufschaufelreihe im Turbinenteil der Gasturbine ist.

Claims

1. Blade arrangement (30) of a thermal flow machine with at least one blade (11) protruding in the radial direction into a channel (13), through which hot gas flows and which is arranged concentrically to an axis (16), and ending in a blade tip (27) which lies opposite, with a clearance (25), a heat shield (12) delimiting the channel (13), wherein the blade (11) and the heat shield (12) are movable relative to one another in the circumferential direction, and the blade tip (27) and the heat shield (12) are covered with layers (22, 23, 24) which allow the blade tip (27) to grind into the heat shield (12) in a targeted manner, and wherein the heat shield (12) has a porous heat-insulating layer (23) as an outer layer which can be ground away, characterized in that the porous heat-insulating layer (23) is a porous ceramic layer, and the blade tip (27) is provided merely with a homogeneous metallic cover layer (24) of MCrAlY.

2. Blade arrangement according to claim 1, characterized in that the thermal flow machine is a gas turbine, that the blade is a moving blade (11) rotating about the axis (16), and that the heat shield (2) is mounted stationarily on the stator of the gas turbine.

3. Blade arrangement according to claim 1 and/or, characterized in that the porous ceramic layer consists of YSZ (yttrium-oxide-stabilised zirconium oxide).

4. Blade arrangement according to claim 3, characterized in that the porosity of the heat-insulating layer (23) is more than 20%.

5. Blade arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that an adhesion layer (22), in particular made of MCrAlY, is arranged between the heat shield (12) and the heat-insulating layer (23).

6. Blade arrangement according to claim 2, characterized in that the moving blade (11) is part of the first row of moving blades in the turbine part of the gas turbine,

Revendications

1. Dispositif d'aubes (30) d'une turbomachine thermique comportant au moins une aube (11) faisant saillie radialement dans un canal (13) parcouru par des gaz chauds disposé de façon concentrique par rapport à un axe (16) et aboutissant dans une pointe d'aube (27), faisant face avec un espace (25) à un écran thermique (12) délimitant le canal (13), dans lequel l'aube (11) et l'écran thermique (12) sont mobiles l'un par rapport à l'autre dans la direction périphérique, et la pointe d'aube ( 27) et l'écran thermique (12) sont recouverts de couches (22, 23, 24) permettant un rodage ciblé de la pointe d'aube (27) dans l'écran thermique (12), et dans lequel l'écran thermique (12) présente une couche d'isolation thermique poreuse (23) en tant que couche externe meublable, caractérisé en ce que la couche d'isolation thermique poreuse (23) est une couche en céramique poreuse et en ce que la pointe d'aube (27) n'est pourvue que d'une couche de couverture (24) métallique homogène en MCrAlY.

2. Dispositif d'aubes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbomachine thermique est une turbine à gaz, que l'aube est une aube tournant (11) autour de l'axe (16), et que l'écran thermique (12) est solidement monté sur le stator de la turbine à gaz.

3. Dispositif d'aubes selon les revendications 1 et/ou 2, caractérisé en ce que la couche en céramique poreuse se compose de YSZ (oxyde de zirconium stabilisé à l'oxyde d'yttrium).

4. Dispositif d'aubes selon la revendication 3, caractérisé en ce que la porosité de la couche d'isolation thermique (23) est supérieure à 20 %.

5. Dispositif d'aubes selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce qu'une couche adhésive (22), en particulier en MCrAlY, est agencée entre l'écran thermique (12) et la couche d'isolation thermique (23).

6. Dispositif d'aubes selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aube mobile (11) fait partie de la première rangée d'aubes mobiles dans la partie turbine de la turbine à gaz.

Zeichnung