Laufschaufel mit einer Rippenanordnung mit abrasiver Beschichtung

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel (5), insbesondere für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit einer radial äußeren Rippenanordnung mit wenigstens einer Rippe (2), auf der eine Beschichtung (3) angeordnet ist, wobei die Beschichtung (3) in einem Meridianschnitt eine Außenkontur (3.1) aufweist, welche sich in radialer Richtung nach außen axial erweitert.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel, insbesondere für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit einer radial äußeren Rippenanordnung mit wenigstens einer Rippe, auf der eine Beschichtung angeordnet ist, eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer solchen Laufschaufel sowie eine Verfahren zum Beschichten einer Rippenanordnung einer Laufschaufel.

[0002] Aus der EP 1 550 741 A1 ist es bekannt, Laufschaufeln radial außen mit Rippen zu versehen, um einen Leckagespalt zu einer umgebenden, insbesondere wabenartigen, Dichtfläche, zu reduzieren und so den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu erhöhen. Die Druckschrift schlägt vor, die Rippen stirnseitig mit einer abrasiven Beschichtung zu versehen, die sich in ein Opfermaterial der Dichtfläche einschleift.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Turbomaschine zur Verfügung zu stellen.

[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Laufschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die bevorzugt in wenigstens einer Verdichter - und/oder Turbinenstufe einer Gasturbine verwendet werden kann. Anspruch 8 stellt eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einer Laufschaufelanordnung mit solchen Laufschaufeln unter Schutz, Anspruch 9 ein Verfahren zum Beschichten von Rippen einer Laufschaufel. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0005] Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf der Idee, durch eine Rippenbeschichtung nicht bzw. nicht nur eine härtere, sondern (auch) eine größere Oberfläche zur Verfügung zu stellen.

[0006] Hierzu weist eine Laufschaufel eine radial äußere Rippenanordnung mit einer oder mehreren, insbesondere in Axialrichtung hintereinander angeordneten Rippen auf. Als Axialrichtung wird vorliegend insbesondere eine Koordinatenrichtung bezeichnet, die mit einer Drehachse der Laufschaufel bzw. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, fluchtet, als Radialrichtung entsprechend eine Richtung, die sich senkrecht von der Drehachse weg erstreckt, als Umfangsrichtung eine Richtung, welche sich senkrecht zu der Drehachse und einer Radialrichtung, insbesondere in Drehrichtung der Laufschaufel bzw. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, erstreckt.

[0007] Auf wenigstens einer, vorzugsweise zwei oder mehr, insbesondere benachbarten, und bevorzugt auf allen Rippen der Rippenanordnung ist jeweils eine Beschichtung angeordnet. Diese ist vorzugsweise aus Metall, Kunststoff und/oder Keramik hergestellt, sie weist in einer bevorzugten Ausführung eine größere Härte auf als die Rippe selber. Als Härte wird vorliegend insbesondere eine Härte nach Vickers, Rockwell, Brinell oder einem ähnlichen Testprotokoll bezeichnet.

[0008] Um durch diese Beschichtung(en) eine größere Oberfläche zur Verfügung zu stellen und so insbesondere die Dichtwirkung und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen, weisen eine oder mehrere, vorzugsweise alle Beschichtungen der Rippenanordnung in einem Meridianschnitt jeweils eine Außenkontur auf, welche sich in radialer Richtung nach außen, d.h. mit zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse, axial bzw. in Axialrichtung erweitert.

[0009] Unter einem Meridianschnitt wird vorliegend insbesondere ein Querschnitt verstanden, welcher die Axialrichtung und eine Radialrichtung enthält. Eine Außenkontur kann sich in radialer Richtung nach außen in einer bevorzugten Ausführung monoton, insbesondere streng monoton, erweitern. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass ein Abstand in Axialrichtung zwischen den beiden Außenflanken der Außenkontur mit wachsendem radialen Abstand zur Drehachse, wenigstens im Wesentlichen, stets wenigstens gleich bleibt (monoton) oder sogar stets zunimmt (streng monoton). Gleichermaßen sind jedoch auch Außenkonturen umfasst, deren Außenflanken sich in begrenzten radialen Bereichen einander nähern. Allgemein wird daher unter einer Außenkontur, welche sich in radialer Richtung nach außen erweitert, insbesondere eine Außenkontur mit zwei einander gegenüberliegenden Außenflanken verstanden, deren Abstand in axialer Richtung in einem ersten, geringeren Abstand zur Drehachse kleiner ist als in einem zweiten, größeren Abstand zur Drehachse.

[0010] Infolge einer solchen radial nach außen zunehmenden Außenkontur nähert sich die Außenflanke der Beschichtung einer benachbarten Rippe oder Beschichtung in Axialrichtung gesehen an, so dass sich ein Axialspalt zwischen Beschichtung und benachbarter Rippe oder Beschichtung verringert. Hierdurch wird radial außen eine größere Oberfläche zur Verfügung gestellt und so eine Leckage in die Zwischenräume zwischen benachbarten Rippen reduziert.

[0011] In einer bevorzugten Ausführung entspricht ein Spalt zwischen einander zugewandten Flanken benachbarter Beschichtungen benachbarter Rippen der Rippenanordnung höchstens einer Axialbreite einer radial äußeren Stirnseite einer der beiden benachbarten Rippen. Als Axialbreite wird vorliegend insbesondere der Abstand zwischen einer in Axialrichtung vorderen und hinteren Kante einer radial äußeren Stirnseite einer Rippe bezeichnet. Durch die bevorzugte Limitierung des Spaltes auf die stirnseitige Axialbreite einer Rippe kann die Leckage in den Zwischenraum zwischen benachbarten Rippen auf ein für den Wirkungsgrad unkritisches Maß gesenkt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung entspricht ein Spalt zwischen einander zugewandten Flanken benachbarter Beschichtungen benachbarter Rippen der Rippenanordnung höchstens 75% und vorzugsweise höchstens 50% einer solchen Axialbreite. Allgemein sind kleinere Spalte zwischen Beschichtungen bevorzugt, wobei ein Spalt vorteilhafterweise ein gewisses Mindestmaß, das insbesondere wenigstens 20% einer Axialbreite einer radial äußeren Stirnseite einer der beiden benachbarten Rippen betragen kann, aufweist, um ein Abplatzen der Beschichtung zu vermeiden.

[0012] In einer bevorzugten Ausführung sind eine oder mehrere, insbesondere alle Rippen der Rippenanordnung in Umfangsrichtung um einen Winkel geneigt, der ungleich 0° und betragsmäßig kleiner als 10°, insbesondere kleiner 5° und bevorzugt kleiner 3° ist.

[0013] In einer bevorzugten Ausführung weisen zwei oder mehrere, insbesondere alle Rippen der Rippenanordnung in radialer Richtung äußere Stirnseiten auf, die, wenigstens im Wesentlichen, auf derselben radialen Höhe liegen. Ausgehend von diesen Stirnseiten erstrecken sich die Rippen in radialer Richtung unterschiedlich tief nach innen, d.h. sind in radialer Richtung unterschiedlich hoch. Dies ermöglicht zum Einen die Ausbildung kleiner Spalte zwischen den Rippen und zum Anderen eine Anpassung an Schaufeln mit variierender radialer Höhe.

[0014] Gleichermaßen können in radialer Richtung äußere Stirnseiten von zwei oder mehreren, insbesondere allen Rippen der Rippenanordnung eine unterschiedliche radiale Höhe aufweisen, insbesondere - wenigstens im Wesentlichen - auf einer virtuellen Kegelfläche liegen. Zusätzlich oder alternativ können zwei oder mehr, insbesondere alle Rippen der Rippenanordnung in radialer Richtung unterschiedlich hoch sein.

[0015] In einer bevorzugten Ausführung ist die Rippenanordnung auf einem Deckband der Laufschaufel angeordnet. Unter einem Deckband wird vorliegend insbesondere ein Flansch verstanden, der sich in Axial- und Umfangsrichtung erstreckt und in bevorzugter Weiterbildung formschlüssig an Deckbändern in Umfangsrichtung benachbarter Schaufeln anliegt. Das Deckband kann in einer bevorzugter Weiterbildung in Axialrichtung schräg sein, um die vorstehend erläuterten Rippen unterschiedlicher Höhe zu tragen.

[0016] Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten einer oder vorzugsweise, insbesondere zeitlich parallel oder nacheinander, mehrerer Rippen einer radial äußeren Rippenanordnung einer Laufschaufel vorgeschlagen, das insbesondere zur Beschichtung einer Laufschaufel nach dem vorstehend erläuterten Aspekt geeignet ist.

[0017] Nach dem weiteren Aspekt wird ein Beschichtungsmaterial aus wenigstens zwei gegensinnigen Spritzrichtungen auf die Rippenanordnung aufgespritzt, insbesondere plasmagespritzt, flammgespritzt, insbesondere Hochgeschwindigkeit-flammgespritzt, detonationsgespritzt, kaltgasgespritzt, lichtbogengespritzt, und/oder lasergespritzt. Unter einem Plasmaspritzen wird vorliegend insbesondere verstanden, dass, beispielsweise in einem Plasmabrenner, durch eine Spannung ein Lichtbogen zwischen Anode(n) und Kathode(n) erzeugt und Gas oder Gasgemisch durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert wird. Die Dissoziation beziehungsweise anschließende Ionisation erzeugt ein hochaufgeheiztes, elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmajet kann pulverförmiges Beschichtungsmaterial eingedüst werden, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf die zu beschichtende Laufschaufel. Vorzugsweise erfolgt die Plasmabeschichtung in normaler Atmosphäre, inerter Atmosphäre, in Vakuum oder auch unter Wasser.

[0018] Durch das Aufspritzen in einer gegen die radiale Richtung geneigten Spritzrichtung kann insbesondere die sich in radialer Richtung nach außen erweiternde Außenkontur dargestellt werden. Dabei wird, vergleichbar den Windverfrachtungen von Schnee in Kammlagen, an den Außenkanten der Laufschaufelstirnseite mehr Beschichtungsmaterial aufgebracht, wobei sich durch die Neigung der Spritzrichtung eine entsprechende Projektion des Beschichtungsmaterialstrahls auf die Flanke der Rippe einstellt. Zusätzlich können benachbarte Rippen bzw. Beschichtungen den Beschichtungsmaterialstrahl teilweise abschatten, so dass mit abnehmendem radialen Abstand zur Drehachse weniger Beschichtungsmaterial aufgebracht wird.

[0019] In einer bevorzugten Ausführung sind die Spritzrichtungen gegensinnig, jedoch betragsmäßig gleich, gegen die radiale Richtung geneigt, vorzugsweise um einen Spritzwinkel, der betragsmä-βig größer als 20°, insbesondere größer als 40°, und/oder kleiner als 70°, insbesondere kleiner als 50° ist. Das Beschichtungsmaterial kann nacheinander oder gleichzeitig aus den beiden Spritzrichtungen aufgespritzt werden.

[0020] In einer bevorzugten Ausführung werden eine oder mehrere Beschichtungen, gleichzeitig oder nacheinander, nach dem Aufspritzen des Beschichtungsmaterials nachbearbeitet. Insbesondere kann eine radial äußere Stirnfläche der Beschichtungen beispielsweise geschliffen, poliert oder andersartig nachbearbeitet werden.

[0021] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

Fig. 1:

das Deckband einer Laufschaufel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht entgegen einer radialen Richtung;

Fig. 2:

einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3 bzw. 4;

Fig. 3:

einen Meridianschnitt einer Gasturbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4:

einen Meridianschnitt einer Gasturbinenstufe nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.

[0022] Fig. 3 zeigt einen Meridianschnitt einer Gasturbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Laufschaufel 5, auf deren schrägem Deckband 1 eine Rippenanordnung mit fünf in Axialrichtung hintereinander angeordneten Rippen 2 angeordnet ist. Der Rippenanordnung 2 radial gegenüber ist eine wabenartige Dichtfläche 4 angeordnet. Bei der ansonsten übereinstimmenden Ausführung der Fig. 4 ist anstelle der wabenartigen eine Dichtfläche 4' mit einer oder zwei (strichliert) Gegenrippe(n) vorgesehen.

[0023] Fig. 2 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des Deckbands 1 mit der Rippenanordnung. Wie insbesondere hierin zu erkennen, ist auf den radial äußeren Stirnseiten der Rippen 2, die auf derselben radialen Höhe liegen, so dass die Rippen aufgrund des schrägen Deckbandes 1 unterschiedliche Höhen aufweisen, jeweils eine Beschichtung 3 angeordnet.

[0024] Diese Beschichtung 3 wird durch sequentielles Plasmaspritzen zunächst in einer ersten Spritzrichtung S₁, und anschließend in einer gegensinnigen bzw. hierzu spiegelsymmetrischen zweiten Spritzrichtung S₂, wie in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet, aufgebracht. Die beiden Spritzrichtungen sind gegen die radiale Richtung R, in der sich die Rippen 2 erstrecken, um einen Winkel β₁ = -β₂ = 45° geneigt.

[0025] Hierdurch ergeben sich auf den Rippen 2 Beschichtungen 3, die in dem Meridianschnitt der Fig. 2 eine Außenkontur aufweisen, welche sich in radialer Richtung nach außen erweitert. Mit anderen Worten wächst mit wachsendem radialen Abstand von einer Drehachse der Gasturbine (von unten nach oben in Fig. 2) der axiale Abstand (horizontal in Fig. 2) zwischen Außenflanken 3.1 der Außenkontur einer Beschichtung 3, die Beschichtung wird nach radial außen hin in axialer Richtung breiter. Dementsprechend verringert sich ein Spalt s zwischen den Außenflanken benachbarter Beschichtungen und beträgt radial außen nur noch etwa 75% der Axialbreite b der radial äußeren Stirnseite der breiteren der beiden benachbarten Rippen 2 (links in Fig. 2).

[0026] Durch die gegensinnige Überlagerung der beiden Spritzrichtungen S₁, S₂ kann eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche der Beschichtungen 3 dargestellt werden. Gleichermaßen kann die Beschichtung, insbesondere ihre radial äußere Stirnfläche (oben in Fig. 2) nach dem Aufspritzen nachbearbeitet, insbesondere geschliffen, werden.

[0027] Man erkennt insbesondere in der Fig. 2, dass durch die in radialer Richtung nach außen bzw. mit zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse sich verbreiternden Beschichtungen 3 eine weitgehend, insbesondere fluidtechnisch, geschlossene Dichtfläche zur Verfügung gestellt wird, wobei das Gewicht der Rippenanordnung aufgrund der Zwischenräume zwischen den Rippen vorteilhaft gering bleibt.

[0028] Wie in Fig. 1 erkennbar, sind die Rippen 2 gegen die Umfangsrichtung U um einen Winkel α geneigt, der im Ausführungsbeispiel 2° beträgt. Zur Verdeutlichung sind in den Figuren die Umfangsrichtung U sowie eine Radialrichtung R angedeutet, wobei Fig. 2 bis 4 jeweils einen Schnitt horizontal zur Zeichenebene der Fig. 1 darstellen können, eine Axialrichtung also in allen Figuren horizontal von links nach rechts verläuft. Die Spritzschicht ist dabei nicht dargestellt.

Bezugszeichenliste

[0029] 

1

Deckband

2

Rippe(nanordnung)

3

Beschichtung

3.1

Außenflanke der Beschichtung/Beschichtungsaußenkontur

4; 4'

Dichtfläche

5

Laufschaufel

Ansprüche

1. Laufschaufel (5), insbesondere für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mit einer radial äußeren Rippenanordnung mit wenigstens einer Rippe (2), auf der eine Beschichtung (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) in einem Meridianschnitt (Fig. 2, 3, 4) eine Außenkontur (3.1) aufweist, welche sich in radialer Richtung nach außen axial erweitert.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenanordnung zwei oder mehr in Axialrichtung hintereinander angeordnete Rippen (2) aufweist, wobei auf wenigstens zwei benachbarten Rippen (2) jeweils eine Beschichtung (3) angeordnet ist, und wobei ein Spalt (s) zwischen einander zugewandten Flanken (3.1) der benachbarten Beschichtungen höchstens einer Axialbreite (b) einer radial äußeren Stirnseite einer der beiden benachbarten Rippen, insbesondere höchstens 75%, vorzugsweise höchstens 50% dieser Axialbreite entspricht.

3. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rippe (2) der Rippenanordnung in Umfangsrichtung (U) um einen Winkel (α) ungleich 0° geneigt ist, der betragsmäßig kleiner als 10°, insbesondere kleiner 5° und bevorzugt kleiner 3° ist.

4. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rippen (2) der Rippenanordnung eine in radialer Richtung (R) äußere Stirnseite aufweisen, die, wenigstens im Wesentlichen, auf derselben radialen Höhe liegt, und, ausgehend von der Stirnseite, in radialer Richtung nach innen unterschiedlich hoch sind.

5. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rippen (2) der Rippenanordnung eine in radialer Richtung (R) äußere Stirnseite aufweisen, die auf verschiedenen radialen Höhen liegen, wobei die Rippen in radialer Richtung unterschiedlich hoch sind.

6. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenanordnung auf einem, insbesondere in Axialrichtung schrägen, Deckband (1) der Laufschaufel angeordnet ist.

7. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (3) eine größere Härte aufweist als die Rippe (2), auf der sie angeordnet ist.

8. Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nach einem Verfahren nach Anspruch 9 oder einem der darauffolgenden Ansprüche auf der Rippenanordnung angeordnet worden ist.

9. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einer Laufschaufelanordnung mit wenigstens einer Laufschaufel (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Verfahren zum Beschichten wenigstens einer Rippe (2) einer radial äußeren Rippenanordnung einer Laufschaufel (5), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Beschichtungsmaterial aus zwei gegensinnigen Spritzrichtungen (S₁, S₂) auf die Rippenanordnung aufgespritzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzrichtungen um, insbesondere betragsmäßig gleiche, Spritzwinkel (β₁, β₂) gegen die radiale Richtung (R) geneigt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzwinkel (β₁, β₂) betragsmäßig größer als 20°, insbesondere größer als 40°, und/oder kleiner als 70°, insbesondere kleiner als 50° ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial thermisch aufgespritzt wird, insbesondere plasmagespritzt, flammgespritzt, insbesondere Hochgeschwindigkeit-flammgespritzt, detonationsgespritzt, kaltgasgespritzt, lichtbogengespritzt, und/oder lasergespritzt.

14. Verfahren nach Anspruch 9 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung nach dem Aufspritzen nachbearbeitet wird.

Zeichnung