Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel oder eine Verdichterschaufel, die eine Polymerbeschichtung im Befestigungsbereich aufweist und ein Rotor.
Im Allgemeinen ist eine Laufschaufel formschlüssig im Nutbereich oder Befestigungsbereich mit einer Radscheibe über eine entsprechende Nut verbunden. Die Montage und Demontage der Laufschaufeln erfolgt in axialer Nutrichtung.
Laufschaufeln werden während des Betriebs sowohl durch die Fliehkraft in Abhängigkeit von Laufschaufel-Gewicht und der Rotor-Drehzahl als auch durch die aerodynamischen Kräfte belastet. Diese Kräfte müssen im Kontaktbereich zwischen Schaufelfuß und Radscheiben-Nut, dem sog. Tragflankenbereich, aufgenommen werden.
Im Laufe der Lebensdauer des Verdichters können an den Verdichter-Laufschaufelfüßen und Radscheiben-Nuten folgende Schadens-Mechanismen im Bereich der Tragflanken auftreten: "Fretting" und/oder "Fretting Fatigue", sowie lokale Adhäsion/Kaltverschweißung und infolgedessen Materialübertrag mit anschließendem "Scoring/Galling" bei der Demontage der Schaufel. Durch die letztgenannten Schadens-Mechanismen kann die Demontage von Laufschaufeln erschwert werden, die zu Wartungszwecken notwendig ist.
Diese Schadens-Mechanismen können prinzipiell in Axialverdichtern im Kontaktbereich zwischen Laufschaufel und Radscheiben-Nut auftreten, bei denen die Laufschaufeln formschlüssig mit der Radscheibe verbunden sind. Die erwähnten Befunde machen in Abhängigkeit ihres Schweregrads eine Reparatur bzw. ein Austausch der geschädigten Komponenten notwendig, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
Die bisher in der Regel verwendeten Beschichtungen zur Verringerung bzw. Verhinderung von "Fretting" Befunden sind metallisch, z.B. CuNiIn oder NiTiCr. Die hierfür verwendeten Verfahren sind beispielsweise das Kaltgasspritzen, Flammspritzen und das Plasmaspritzen, wie HVOF - "High Velocity Oxygen Fuel Spray" oder APS.
Das Wirkprinzip dieser Schichtsysteme hinsichtlich des "Anti-Fretting" basiert im Wesentlichen auf deren Verformbarkeit (geringen Scherfestigkeit). Somit wird der Energie-Eintrag durch Relativbewegung, durch eine verringerte Reibungszahl, zwischen den Komponenten Laufschaufel und Radscheiben-Nut verringert und mögliches "Fretting" und somit auch "Fretting Fatigue" reduziert.
Ein Nachteil der bisher angewandten Beschichtungen ist, dass die Komponenten der Beschichtung wie auch das Material der Radscheibe metallisch sind. Somit sind ähnliche Materialien im Kontakt, was Adhäsion/Kaltverschweißung begünstigt. Folglich können trotz CuNiIn-Beschichtung im Kontaktbereich Probleme bei der Montage/ Demontage auftreten. Überdies ist eine Beschädigung der bisher angewandten Beschichtungen nur mit großem Aufwand reparierbar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genannte Probleme zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinen- oder Verdichterschaufel gemäß Anspruch 1 und ein Rotor gemäß Anspruch 3.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Ein Schaufelblatt 10 der Schaufel 6 ragt über eine äußere Oberfläche 29 der Radscheibe 4 hinaus.
In Längsrichtung 11 der Schaufel 6 gesehen weist der Schaufelfuß 7 einen unteren Bereich 20 auf, der leicht konvex gekrümmt ist.
An den unteren, eher flach verlaufenden Bereich 20, schließt sich beidseitig ein stärker gekrümmter Bereich 23 auf, der ebenfalls konvex gekrümmt ist.
An den stärker gekrümmten Bereich 23 schließt sich ein Tragflankenbereich 24 an, der mit der Radscheibe 4 in Kontakt kommt.
Der Tragflankenbereich 24 ist plan ausgeführt.
An den Tragflankenbereich 24 schließt sich optional ein weiterer Endbereich 26 an, der verschieden ausgestaltet werden kann und hier senkrecht zur Oberfläche 29 der Radscheibe 4 verläuft.
Nur die Tragflankenbereiche 24, insbesondere von Verdichter-Laufschaufeln, werden mit einer Polymerbeschichtung 25 versehen.
Die Polymerbeschichtung 25 erstreckt sich dann vorzugweise über die gesamte axiale Länge des Schaufelfußes 7.
Ebenso kann eine innere Oberfläche 22 des Nutbereichs 13 eine Polymerbeschichtung aufweisen, also die Radscheibe 4. Diese Polymerbeschichtung kann zusätzlich zur Polymerbeschichtung 25 der Schaufel 6 vorhanden sein. Sie erstreckt sich dann auch vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Nutbereichs 13.
Diese Beschichtung basiert vorzugsweise auf einem oder mehreren Fluorpolymeren, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxy (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP).
Ebenso vorzugsweise können weiterhin ein oder mehrere Festschmierstoffe vorhanden sein, die in der Matrix der Polymerbeschichtung 25 der Schaufel 6 oder des Nutbereichs 13 eingelagert sind.
Im Tragflankenbereich 24 von Laufschaufeln 6 können diese Beschichtungssysteme den Energie-Eintrag durch Relativbewegung zwischen den Komponenten Laufschaufel und Radscheiben-Nut verringern und mögliches "Fretting" und somit auch "Fretting Fatigue" reduzieren bzw. verhindern.
Überdies verhindern sie, aufgrund unterschiedlicher Materialklassen (Beschichtung: Polymer, Radscheibe: Metall bzw. Stahl) und der optional in der Polymerbeschichtung eingelagerten Festschmierstoffe, Adhäsion/ Kaltverschweißung im Tragflankenbereich von Schaufelfuß und Radscheibennut. Somit ist eine einfache Montage/Demontage der Laufschaufeln 6 gewährleistet. Im Gegensatz zu den bei der Montage/Demontage eingesetzten Schmiermitteln ist eine Langzeit-Trennwirkung gewährleistet. Weiterhin ist eine Reparatur/Aufarbeitung betriebsbeanspruchter, im Fußbereich 7 beschichteter Schaufeln 6 ohne größeren Zusatzaufwand vor Ort möglich.
Der limitierende Faktor für die vorgeschlagene polymerbasierte Beschichtung 25 ist die Einsatztemperatur. Dies erlaubt bei Verdichtern, in Abhängigkeit der Verdichterkenngrößen, ggf. nur die Anwendung in vorderen Verdichterstufen und bei Turbinen in Abhängigkeit der Turbinenkenngrößen nur die Anwendung in hinteren Turbinenstufen. Eine Erweiterung des Anwendungsgebietes durch Erhöhung der Einsatztemperatur könnte durch zukünftige Entwicklungen erreicht werden.
Die erfinderische Tätigkeit liegt in der Anwendung polymerbasierten Beschichtungssysteme im Bereich der Verdichter-Laufschaufeln 6, um zum einen "Fretting" und "Fretting Fatigue" zu verringern bzw. zu verhindern und zum anderen Adhäsion/Kaltverschweißung über die gesamte Lebensdauer zu verhindern und somit folgende Sekundärschäden bei der Demontage zu verhindern. Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik wird eine Langzeit-Trennwirkung zwischen Laufschaufel 6 und Radscheiben-Nut 13 im Tragflankenbereich 24 ermöglicht sowie das Tragverhalten verbessert.
Es ergeben sich folgende Vorteile aus der beschriebenen Erfindung gegenüber der bisher verwendeten Laufschaufel-Beschichtung im Fußbereich 7 bzw. gegenüber Verdichter-Laufschaufeln 6, die im Bereich des Schaufelfußes 7 bzw. Tragflankenbereich 24 unbeschichtet sind:
In
Da insbesondere, wie oben beschrieben, der Tragflankenbereich 24 zur Schädigung kommt, ist nur dieser Bereich mit einem Polymer 25 beschichtet.
Die Polymerbeschichtung 25 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Tragflankenbereichs 24 und kann auch den gesamten Fußbereich 20, 23, 24, 26 umfassen.
Die Polymerbeschichtung 25 für den Schaufelfuß 7 oder den Nutbereich 13 kann fluorpolymerbasiert sein und auch insbesondere ein oder mehrere Festschmierstoffe enthalten.
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