EP3546702A1 - Turbinenlaufschaufel für eine gasturbine - Google Patents
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- EP3546702A1 EP3546702A1 EP18165004.5A EP18165004A EP3546702A1 EP 3546702 A1 EP3546702 A1 EP 3546702A1 EP 18165004 A EP18165004 A EP 18165004A EP 3546702 A1 EP3546702 A1 EP 3546702A1
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
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- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
- F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
- F01D5/288—Protective coatings for blades
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/20—Rotors
- F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
- F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade
Definitions
- the invention relates to a turbine blade for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
- a corresponding to the preamble of claim 1 turbine blade is for example from the document EP 0 166 676 A2 known.
- the previously known turbine blade has a metallic airfoil on whose outwardly pointing tip a layer of hard material particles has been applied. This is used when using the turbine blade in a gas turbine for the targeted removal of material which has been applied to the housing opposite the blade tip housing wall.
- these housing walls defining the flow path are formed in stationary gas turbines by so-called ring segments on which the abradable material is applied not only as temperature protection but also functionally for radial gap adjustment and optimization.
- the background is a thermal distribution occurring during operation of the gas turbine, which leads to different thermally induced strains in the housing.
- EP 0 166 676 A2 to use on the outwardly facing surface of the blade tip a particularly hard material, thus abrading the softer, applied to the ring segments material during operation of the gas turbine to set minimum gap and also to improve the warm start behavior there.
- blades used to dig into an abradable layer may tend to locally lose the thermal barrier coating at its outer end. This reduces the protection of the blade against hot gas influences, so that at the locations of missing heat-insulating layers, the metallic material of the turbine blade can age prematurely. This can shorten the life of the turbine blade, which in the worst case can result in premature replacement of the damaged component.
- the object of the invention is therefore to provide a turbine blade for a gas turbine, which, configured for burying in a wear-resistant layer provided on the housing side, has a comparatively long service life.
- a turbine blade for a gas turbine with an airfoil comprising a streamable by a hot gas A leading edge from which a suction sidewall and a pressure sidewall extend to a trailing edge of the airfoil, wherein the airfoil extends in a transversely extending radial direction from a root end to a tip end forming a blade tip, and wherein the blade tip includes at least one squeal edge has radially outwardly facing end face, on which end face a cutting layer is applied and wherein at least on the pressure side wall of the blade at least one layer is applied, proposed that the cutting layer having face is arranged on a larger radius than a radially outermost edge of the pressure side wall.
- the invention is based on the finding that the cutting layer has a thickness which can be detected in the radial direction, which is comparatively low and the layer of the blade blade reaches as far as the friction layer.
- this can then dig so deep in the radial direction in the abbedibende material of the housing wall, that also contact between the applied on the side walls layer, usually the thermal barrier layer, and theeuerreibenden material of the housing wall occurs.
- the contact can take place both on the suction side and on the pressure side.
- suction-side contact due to the rotational direction of the rotor two similar hard materials are pressed against each other, so that not necessarily rubbed off the material to be abraded the housing wall.
- the applied layer on the airfoil is loaded in the contact area to train. It has been found that even comparatively low tensile loads can cause a local detachment of the layer, in particular of the thermal barrier coating.
- the first may be on the radially outwardly facing surface of the blade tip when applied to the opposite abradable layer applied to the housing wall, it significantly heats the applied cutting layer. The heating leads to thermal strains in the cutting layer and also in the adjacent areas.
- the heat-insulating layer attached on the side walls and on the front edge of the blade can be heated to an impermissibly high level, so that the risk of a chip-breaking of the heat-insulating layer is also increased as a result.
- the invention proposes that the end face having the cutting layer is arranged on a radius which is greater than the radius on which a radially outer edge of the pressure side wall lies.
- the radii are firstly related to the axis of rotation of a rotor of a turbine, in which the turbine blade is provided for use. It is equally possible, instead of the radii, to determine the distances between an underside of the blade root of the turbine blade, on the one hand, and the said edges or face, on the other hand, which is slightly less accurate than the variant specified first. On the other hand, the radii or the distances, if based on the underside of a blade root of the turbine blade, to determine in a plane which is normal to the axis of rotation of the turbine or to the underside of the blade root.
- the invention provides a sufficient radial distance between the radially outer edge or the radially outer end of the pressure side wall and the inlet layer of the housing wall, which prevents during a possible removal of the inlet layer, in particular the applied on the pressure side wall ceramic thermal insulation layer on the tip side under tensile load arrives and can locally take damage there.
- the sustained protection of the airfoil due to the continued existence of the ceramic thermal barrier coating on the sidewalls of the airfoil can improve turbine blade life compared to prior art turbine blades.
- the at least one rubbing edge is arranged on the suction side on the blade tip or centrally between the suction side wall and the pressure side wall.
- At least two squealer edges are provided at the blade tip, of which a first suction side and a second pressure side is arranged, wherein the side facing the pressure side of the airfoil side surface of the first squealer and the surface of the pressure side wall merge seamlessly with each other, wherein the first squealer having a detectable in the radial direction height, which is less than the height of the provided with the cutting edge squealer.
- the outwardly facing end face of the at least one, the cutting layer having Abrading edge inclined to the pressure side wall sloping down.
- the end face is not perpendicular to the radial direction.
- the section line through the end face with the radial direction at an angle not equal to 90 °, for example, an angle 75 ° or 60 °, so that the end face to the pressure side wall falls off and thus ends on a smaller radius than that opposite, the leading end of the face.
- an adhesion promoter layer and at least one ceramic thermal barrier coating are applied at least on the pressure side wall of the airfoil. This also improves the connection of the ceramic thermal barrier coating, in particular on the pressure side wall.
- the ceramic thermal barrier coating of the airfoil is spatially separated from those coatings which are applied to the squealer having the cutting layer or on the blade tip. Due to the separation of the coatings is reliably avoided that any loosening or spalling a radially outwardly disposed coating is transferred to the ceramic thermal barrier coating of the airfoil and this also only slightly dissolves or tears off. This also improves the service life of the turbine blade.
- the cutting layer usually enriched with hard material particles, in particular of cubic or hexagonal boron nitride, thus has a sufficient strength and hardness, which makes it possible that only the material applied to the housing wall material is removed there.
- the on the sidewalls the blade applied thermal barrier coating is thus protected against destructive contact with the coated housing wall.
- a mixture of cubic boron nitride (cBN) and MAX phase powder is applied as a cutting layer, so that the abrasion resistance of the turbine blade improves significantly.
- the cubic boron nitride has a very high hardness and is characterized by an outstanding wear resistance.
- the cubic boron nitride embedding material should also have good wear resistance combined with good oxidation resistance and high thermal resistance. This combination of properties is optimally covered by the MAX phases.
- MAX phases are materials whose properties lie between those of ceramics and metals.
- M is an element of the transition metals (eg Ti, Cr, Nb, Ta, etc.)
- A is an element of the A group (eg Al, Si, etc.) and X is carbon or nitrogen ( C or N).
- Typical representatives of the MAX phases are Ti2AlC, Cr2AlC and Nb2AlC.
- the mixture of cubic boron nitride and MAX phase could e.g. be applied by laser powder deposition welding. Alternatively, preforms could be sintered, which are then connected to the turbine blade via a soldering process.
- FIG. 1 is shown in a perspective view of a turbine blade 10.
- a turbine blade 10 Along an axis coincident with the radial direction of a gas turbine in which the turbine blade 10 is installed, it comprises a blade root 12, a platform 14, and an airfoil 16 seen from the inside out.
- turbine blades 10 are internally cooled. Thus, they are usually manufactured in a casting process, so that they are formed entirely of a metallic base material. This has a front edge 18, which can be inflated by a hot gas S, and a trailing edge 20.
- a suction side wall 22 and a pressure side wall 24 extend, which extend in the transverse direction and thus in the radial direction R from a foot-side end 26 to a tip-side end 28.
- the blade tip 30 also forms the blade tip 30, which does not necessarily have to be flat.
- the blade tip 30 is provided with a border, which is also referred to as the squealer edge 32.
- a border which is also referred to as the squealer edge 32.
- On a part of a radially outwardly facing end face 33 of the rubbing edge 32 is an in FIG. 1 Not shown cutting layer applied, but in the FIGS. 2 and 3 to be seen in detail is.
- FIGS. 2 to 4 show different embodiments of turbine blade blade tips 30 in longitudinal section corresponding to the section line II-II, wherein in addition a provided with an inlet layer 13 housing wall 11 is shown in fragmentary form.
- An axis of rotation of a rotor of a turbine in which the turbine blade 10 is to be used is denoted by A, the direction of rotation of the rotor by D.
- the airfoil 16 both on the suction side a squeal edge 32s and on the pressure side a squeal edge 32d.
- Both abutting edges 32 are arranged on the blade tip 30 in such a way that their laterally outwardly pointing side surfaces 35 in each case merge continuously with the surfaces of the suction side wall 22 and the pressure side wall 24, respectively. Consequently, these side faces 35 of the squealer edges 32s, 32d represent parts of the suction side wall 22 and parts of the pressure side wall 24, for which reason they, like the original airfoil 16, are coated with an adhesion promoter layer 40 and a thermal barrier coating 42.
- a cutting layer 36 is applied, which in turn has an outwardly facing cutting surface 37.
- the end face 33 of the suction-side squealer 32s is disposed on a radius R2 which is greater than the radius R1 of the radially outer edge 23 of the pressure side wall 24.
- the radially outer edge 23 of the pressure side wall 24 coincides with the radially outermost edge of the pressure-side squealer 32d, since the latter is free of cut-layer or protrudes less radially than the suction-side squealer 32s.
- the radii R1, R2 relate to a rotation axis A and are to be determined in a plane which is normal to the axis of rotation of the turbine. This plane thus coincides with the leaf level of the drawing.
- the radii R1 and R2 can be determined in an analogous manner not shown distances in the same plane. These relate not on the axis of rotation, but on an underside 15 of the blade root 12, in particular on its center.
- FIG. 3 shows a second embodiment of a blade tip 30.
- this turbine blade 10 has only a single squeal edge 32, which is provided on the suction side; the pressure-side squeal edge of the first embodiment has dropped away without replacement.
- the outwardly facing cutting surface 37 of the cutting layer 36 is disposed on a radius R2, which is greater than the radius R1 of the radially outer edge 23 of the pressure side wall 24th
- FIG. 4 shows a third embodiment of a blade tip 30.
- the single squealer edge 32 is not suction side, but arranged centrally between the suction side wall 22 and the pressure side wall 24.
- the outwardly facing cutting surface 37 of the cutting layer 36 is disposed on a radius R2, which is greater than the radius R1 of the radially outer edge 23 of the pressure side wall 24th
- FIG. 5 shows a fourth embodiment of a blade tip 30.
- the end face 33 of the squealer edge 32d is not perpendicular to the radial direction. Viewed in longitudinal section, the section line lying in the plane of the end face 33 is inclined downwards towards the pressure side wall 24, so that the end face 33 terminates there at a smaller radius (23) than its opposite leading end.
- This variant also protects the layer 40, 42 from a tensile stress possibly destroying it on the tip side.
- the airfoil 16 is coated on both the suction side and the pressure side over a large area first of all by a bonding agent layer 40, which in turn is covered by a ceramic thermal barrier coating 42. It is possible that one remaining part 39 of the radially outwardly facing surface of the blade tip 30 is also coated with the adhesion promoter layer 40 and / or the thermal barrier coating 42.
- the side facing the print side 35 of the squealer 32 is therefore arranged offset to the pressure side wall 24 that when used properly, the turbine blade 10 in the rotor of a turbine with respect to the rotational direction D, the squealer edge side surface 35 of the pressure side wall 22 leads.
- All embodiments have in common that the two layers 40, 42 are not directly adjacent to the cutting layer 36 and touch, but are separated from this. This applies in particular to the first two exemplary embodiments in which the cutting layer 36 could also come into contact with the layers 40, 42 on the suction side at a radially outermost edge 25 of the squealer edge 32, but this is avoided by a sufficiently large gap.
- the cutting layer 36 thus has no direct influence on the layers 40, 42 of the airfoil 16, neither on the suction side nor on the pressure side. This maintains the life of the turbine blade 10 even with frictional contact with the run-in layer 13 or even loss of the cutting layer 36.
- the invention relates to a turbine blade 10 for a gas turbine with an airfoil 16 comprising a front edge 18 which can be inflated by a hot gas S, from which a suction side wall 22 and a pressure side wall 24 extend to a trailing edge 20 of the airfoil 16, the airfoil 16 being in one extending transversely extending radial direction R from a foot-side end 26 to a blade tip 30 forming tip-side end 28 and wherein on the radially outwardly facing surface of the blade tip 30, a first cutting layer 36 is applied.
- the cutting surface 36 having end face 33 is disposed on a larger radius R2 than a radially outermost edge 23 of the pressure side wall 24th
Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel (10) für eine Gasturbine mit einem Schaufelblatt (16) umfassend eine von einem Heißgas (S) anströmbare Vorderkante (18), von der aus sich eine Saugseitenwand (22) und eine Druckseitenwand (24) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (16) erstrecken, wobei das Schaufelblatt (16) in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung (R) von einem fußseitigen Ende (26) zu einem eine Blattspitze (30) bildenden spitzenseitigen Ende (28) erstreckt und wobei an der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze (30) eine erste Schneidschicht (36) aufgebracht ist. Um eine Turbinenlaufschaufel (10) bereitzustellen, welche eine verbesserte Lebensdauer aufweist, wird vorgeschlagen, dass die die Schneidschicht (36) aufweisende Stirnfläche (33) der Schneidschicht (36) auf einem größeren Radius (R2) angeordnet ist als eine radial äußerste Kante (23) der Druckseitenwand (24).
Description
- Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Turbinenlaufschaufel ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 0 166 676 A2 bekannt. Die vorbekannte Turbinenschaufel weist ein metallisches Schaufelblatt auf, an dessen nach außen weisender Spitze eine Schicht mit Hartstoffpartikeln aufgebracht wurde. Diese dient bei Verwendung der Turbinenlaufschaufel in einer Gasturbine zum gezielten Abtragen von Material, welches an der der Schaufelspitze gegenüberliegenden Gehäusewand aufgebracht wurde. Üblicherweise werden diese den Strömungspfad begrenzenden Gehäusewände bei stationären Gasturbinen durch sogenannte Ringsegmente gebildet, auf denen das abreibbare Material nicht nur als Temperaturschutz, sondern auch funktional zur Radialspalteinstellung und -optimierung aufgebracht ist. Hintergrund ist eine sich während des Betriebs der Gasturbine einstellende thermische Verteilung, die zu unterschiedlichen thermisch bedingten Dehnungen im Gehäuse führen. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeverteilung der und unterschiedlich gestalteten Gehäusebauteile entsteht eine nicht exakt kreisrunde Strömungskontur der Gehäusewände, in dem sich der mit den Turbinenlaufschaufeln bestückte Rotor dreht. Auch die hydrodynamische Lagerung führt ebenfalls dazu, dass der Rotor nicht exakt mittig positioniert ist. Im Ergebnis stellt sich zwischen jeder Schaufelblattspitze und der dieser gegenüberliegenden Gehäusewand ein individueller Radialspalt ein. Diese können längs des Umfangs verteilt unterschiedlich groß sein. Zur Steigerung des Turbinenwirkungsgrades sind diese Unterschiede zu vergleichmäßigen und kleinstmögliche Radialspalte einzustellen, was mit Hilfe des abreibbaren Materials erreichbar ist. Dieses wird als eine keramische, abriebfähige Schicht - auch Einlaufschicht genannt - auf den Ringsegmenten aufgebracht und erlaubt ein Anstreifen und ein Eingraben der Laufschaufeln darin. - So schlägt beispielsweise die eingangs erwähnte
EP 0 166 676 A2 vor, auf der nach außen weisenden Fläche der Schaufelspitze ein besonders hartes Material zu verwenden, um somit das weichere, auf den Ringsegmenten aufgebrachte Material während des Betriebs der Gasturbine zur Einstellung minimaler Spalte und auch zur Verbesserung des Warmstartverhaltens dort abzureiben. - Darüber hinaus ist es in Fachkreisen bekannt, das Schaufelblatt von Turbinenschaufeln mittels eines Schichtsystems aus zumeist zwei Schichten, einer zuerst aufgetragenen Haftvermittlerschicht und einer darüber aufgetragenen keramischen Wärmedämmschicht, gegen den schädlichen Einfluss des Heißgases zu schützen.
- Es hat sich jedoch gezeigt, dass zum Eingraben in eine abriebfähige Schicht verwendete Laufschaufeln dazu neigen können, an ihrem äußeren Ende die thermische Wärmedämmschicht lokal zu verlieren. Dies reduziert den Schutz des Schaufelblatts gegen Heißgaseinflüsse, so dass an den Stellen fehlender Wärmedämmschichten das metallische Material der Turbinenschaufel vorzeitig altern kann. Dies kann die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel verkürzen, was schlimmstenfalls einen vorzeitigen Austausch des beschädigten Bauteils nach sich ziehen kann.
- Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine, welche, ausgestaltet zum Eingraben in eine gehäuseseitig vorgesehene abriebfähige Schicht, eine vergleichsweise lange Lebensdauer aufweist.
- Die auf die Turbinenlaufschaufel gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Mithin wird zur Lösung der Aufgabe eine Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine, mit einem Schaufelblatt umfassend eine von einem Heißgas anströmbare Vorderkante, von der aus sich eine Saugseitenwand und eine Druckseitenwand zu einer Hinterkante des Schaufelblatts erstrecken, wobei das Schaufelblatt in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung von einem fußseitigen Ende zu einem eine Blattspitze bildenden spitzenseitigen Ende erstreckt, und wobei die Blattspitze zumindest eine Anstreifkante mit einer radial nach außen weisende Stirnfläche aufweist, auf welcher Stirnfläche eine Schneidschicht aufgebracht ist und wobei zumindest auf der Druckseitenwand des Schaufelblatts zumindest eine Schicht aufgebracht ist, vorgeschlagen, dass die die Schneidschicht aufweisende Stirnfläche auf einem größeren Radius angeordnet ist als eine radial äußerste Kante der Druckseitenwand.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Schneidschicht eine in Radialrichtung erfassbare Dicke aufweist, die vergleichsweise gering ist und die Schicht des Schaufelblatts bis an die Reibschicht heranreicht. Bei Anstreifvorgängen der betreffenden Turbinenlaufschaufel während ihres Umlaufs kann sich diese dann derart tief in Radialrichtung in das abzureibende Material der Gehäusewand eingraben, dass auch ein Kontakt zwischen der auf den Seitenwänden aufgebrachten Schicht, zumeist der Wärmedammschicht, und dem abzureibenden Material der Gehäusewand auftritt. Der Kontakt kann sowohl saugseitig als auch druckseitig erfolgen. Beim saugseitigen Kontakt werden aufgrund der Rotationsrichtung des Rotors zwei ähnliche harte Materialien aufeinander gepresst, so dass nicht zwingend das abzureibende Material der Gehäusewand abgerieben wird. Vielmehr kann die auch an den spitzenseitigen Enden des Schaufelblatts aufgebrachte Schicht wegen des ungewünschten Kontakts lokal abplatzen. Beim druckseitigen Kontakt wird aufgrund der Rotationsrichtung des Rotors die auf dem Schaufelblatt aufgebrachte Schicht im Kontaktbereich auf Zug belastet. Es hat sich herausgestellt, dass schon vergleichsweise geringe Zugbelastungen ein lokales Ablösen der Schicht, insbesondere der Wärmedämmschicht, hervorrufen kann. Des Weiteren kann sich die erste auf der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze aufgebrachte Schneidschicht beim Eingraben in die gegenüberliegende auf der Gehäusewand aufgebrachte abreibbare Schicht signifikant erwärmen. Die Erwärmung führt zu thermischen Dehnungen in der Schneidschicht und auch in den daran angrenzenden Bereichen. Insbesondere die auf den Seitenwänden und an der Vorderkante des Schaufelblatts spitzenseitig angebrachte Wärmedämmschicht kann sich unzulässig hoch erwärmen, so dass die Gefahr eines spitzenseitigen Abplatzens der Wärmedämmschicht auch dadurch erhöht ist.
- Um diese Effekte zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, dass die die Schneidschicht aufweisende Stirnfläche auf einem Radius angeordnet ist, welcher größer ist als derjenigen Radius, auf dem eine radial äußere Kante der Druckseitenwand liegt. Die Radien werden zum einen bezogen auf die Rotationsachse eines Rotors einer Turbine, in welcher die Turbinenlaufschaufel zur Anwendung vorgesehen ist. Ebenso gut ist es möglich, anstelle der Radien die Abstände zwischen einer Unterseite des Schaufelfußes der Turbinenlaufschaufel einerseits und den besagten Kanten bzw. Stirnfläche anderseits zu ermitteln, was geringfügig ungenauer ist als die zuerst angegebene Variante. Zum anderen sind die Radien bzw. die Abstände, wenn bezogen auf die Unterseite eines Schaufelfußes der Turbinenlaufschaufel, in einer Ebene zu ermitteln, welche normal zur Rotationsachse der Turbine bzw. zur Unterseite des Schaufelfußes ist.
- Mit dieser Ausgestaltung gelangt die radial äußere Kante der Druckseitenwand nicht in Kontakt mit der abzureibenden Schicht der Gehäusewand. Insofern wird mit der Erfindung ein hinreichender radialer Abstand zwischen der radial äußeren Kante bzw. dem radial äußeren Ende der Druckseitenwand und der Einlaufschicht der Gehäusewand bereitgestellt, der verhindert, dass während eines möglichen Abtragens der Einlaufschicht insbesondere die auf der Druckseitenwand aufgetragene keramische Wärmedammschicht spitzenseitig unter Zugbelastung gelangt und dort örtlich Schaden nehmen kann.
- Durch den aufrechterhaltenen Schutz des Schaufelblatts aufgrund des Fortbestands der keramischen Wärmedämmschicht auf den Seitenwänden des Schaufelblatts kann die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel verbessert werden, verglichen mit Turbinenlaufschaufeln aus dem Stand der Technik.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei deren Merkmale beliebig miteinander kombinierbar sind.
- Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Anstreifkante saugseitig auf der Blattspitze oder mittig zwischen der Saugseitenwand und der Druckseitenwand angeordnet. Mit diesen Varianten lässt sich in der Regel sicherstellen, dass die radial äußere Kante der Druckseitenwand auf einem geringeren Radius angeordnet ist als die radial nach außen weisende Schneidfläche der Schneidschicht.
- Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an der Blattspitze zumindest zwei Anstreifkanten vorgesehen, von denen eine erste saugseitig und eine zweite druckseitig angeordnet ist, wobei die zur Druckseite des Schaufelblatts weisende Seitenfläche der ersten Anstreifkante und die Fläche der Druckseitenwand stufenlos ineinander übergehen, wobei die erste Anstreifkante eine in Radialrichtung erfassbare Höhe aufweist, welche geringer ist als die Höhe der mit der Schneidschicht versehenen Anstreifkante. Diese Ausgestaltung reduziert die Strömungsverluste über die Blattspitze aufgrund des dort weiter erhöhten Strömungswiderstandes. Gleichzeitig ist es möglich, die Seitenfläche der ersten Anstreifkante und die Fläche der Druckseitenwand mit einer durchgehenden keramischen Wärmedämmschicht zu überziehen, ohne dass die Gefahr besteht, aufgrund eines Kontakts mit der Einlaufschicht diese spitzenseitig zu verlieren.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die nach außen weisende Stirnfläche der zumindest einen, die Schneidschicht aufweisenden Anstreifkante zur Druckseitenwand hin abfallend geneigt. Darunter wird verstanden, dass die Stirnfläche nicht senkrecht zu Radialrichtung steht. Im Längsschnitt betrachtet schließt die Schnittlinie durch die Stirnfläche mit der Radialrichtung einen Winkel ungleich von 90° ein, beispielsweise einen Winkel 75° oder 60°, so dass die Stirnfläche zur Druckseitenwand hin abfällt und damit auf einem kleineren Radius endet als das diesem gegenüberliegendem, dem vorauseilenden Ende der Stirnfläche. Auch mit dieser Ausgestaltung wird vermieden, dass bei Kontakt der Blattspritze mit der beschichteten Gehäusewand die Schicht der Druckseite vom Schaufelblatt abgerissen wird.
- Um die Haftung der keramischen Wärmedämmschicht auf der Druckseitenwand bzw. auf dem Schaufelblatt der Turbinenschaufel zu erhöhen, sind zumindest auf der Druckseitenwand des Schaufelblatts eine Haftvermittlerschicht und zumindest eine keramische Wärmedämmschicht aufgebracht. Auch dies verbessert die Anbindung der keramischen Wärmedämmschicht insbesondere auf der Druckseitenwand.
- Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die keramische Wärmedämmschicht des Schaufelblatts von denjenigen Beschichtungen räumlich getrennt ist, die auf der die Schneidschicht aufweisenden Anstreifkante oder auf der Blattspitze aufgebracht sind. Aufgrund der Trennung der Beschichtungen wird sicher vermieden, dass ein etwaiges Lösen oder Abplatzen einer radial weiter außen angeordneten Beschichtung sich auf die keramische Wärmedämmschicht des Schaufelblatts überträgt und diese auch nur geringfügig mit loslöst bzw. abreißt. Auch damit wird die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel verbessert.
- Die Schneidschicht, üblicherweise mit Hartstoffpartikeln, insbesondere aus kubischem oder hexagonalem Bornitrid angereichert, weist damit eine hinreichende Festigkeit und Härte auf, die es ermöglicht, dass lediglich das an der Gehäusewand aufgetragene Material dort abgetragen wird. Die auf den Seitenwänden des Schaufelblatts aufgetragene Wärmedämmschicht ist somit vor zerstörerischem Kontakt mit der beschichteten Gehäusewand geschützt.
- Besonders bevorzugt wird eine Mischung aus kubischem Bornitrid (cBN) und MAX-Phasenpulver als Schneidschicht aufgebracht, so dass sich die Abriebbeständigkeit der Turbinenlaufschaufel signifikant verbessert. Das kubische Bornitrid weist eine sehr hohe Härte auf und zeichnet sich durch eine herausragende Verschleißbeständigkeit aus. Das Einbettmaterial für das kubische Bornitrid sollte ebenfalls über eine gute Verschleißbeständigkeit, kombiniert mit einer guten Oxidationsbeständigkeit und einer hohen thermischen Beständigkeit verfügen. Diese Kombination aus Eigenschaften wird durch die MAX-Phasen optimal abgedeckt. MAX-Phasen sind Werkstoffe, deren Eigenschaften zwischen denen von Keramiken und Metallen liegen. Dabei steht M für ein Element aus den Übergansmetallen (z.B. Ti, Cr, Nb, Ta, etc.), A steht für ein Element aus der A-Gruppe (z.B. Al, Si, etc.) und X steht für Kohlenstoff oder Stickstoff (C oder N). Typische Vertreter der MAX-Phasen sind Ti2AlC, Cr2AlC sowie Nb2AlC. Das Gemisch aus kubischem Bornitrid und MAX-Phase könnte z.B. über Laserpulverauftragsschweißen aufgebracht werden. Alternativ könnten Preforms gesintert werden, die anschließend über einen Lötprozess an die Turbinenschaufel angebunden werden.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen schematisch:
- Figur 1
- eine perspektivische Ansicht auf eine Turbinenlaufschaufel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
- Figur 2
- den Längsschnitt durch die Blattspitze der Turbinenschaufel gemäß
Figur 2 , - Figur 3
- im Längsschnitt eine alternative Blattspitze gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
- Figur 4
- im Längsschnitt eine alternative Blattspitze gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels und
- Figur 5
- im Längsschnitt eine alternative Blattspitze gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels.
- Die für das Verständnis der Erfindung irrelevanten Elemente der Turbinenlaufschaufel sind - wie stets bei schematischen Darstellungen - nicht dargestellt. Gleiche Merkmale sind in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Einzelne Bezugszeichen können in der Beschreibung und in den Figuren zudem durch die Suffixe "d" für druckseitig und "s" für saugseitig erweitert worden sein, wenn mehrfach vorhandene Merkmale einzeln identifiziert werden sollen. Bei Verwendung ohne Suffix gelten die gemachten Ausführungen für alle betreffenden Merkmale.
- In
Figur 1 ist in einer perspektivischen Darstellung eine Turbinenlaufschaufel 10 dargestellt. Entlang einer Achse, die mit der Radialrichtung einer Gasturbine zusammenfällt, in welcher die Turbinenlaufschaufel 10 eingebaut ist, umfasst diese von innen nach außen gesehen einen Schaufelfuß 12, eine Plattform 14 und ein Schaufelblatt 16. Üblicherweise werden derartige Turbinenlaufschaufeln 10 innen gekühlt. Mithin werden diese gewöhnlich in einem Gussverfahren hergestellt, so dass sie insgesamt aus einem metallischen Grundwerkstoff gebildet sind. Dieses weist eine von einem Heißgas S anströmbare Vorderkante 18 sowie eine Hinterkante 20 auf. Dazwischen erstrecken sich eine Saugseitenwand 22 und eine Druckseitenwand 24, welche in Querrichtung und somit in Radialrichtung R sich von einem fußseitigen Ende 26 zu einem spitzenseitigen Ende 28 erstrecken. Letzteres bildet gleichzeitig die Blattspitze 30, welche nicht zwingend eben ausgebildet sein muss. Gemäß dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Blattspitze 30 mit einer Umrandung, welche auch als Anstreifkante 32 bezeichnet wird, versehen. Auf einem Teil einer radial nach außen weisenden Stirnfläche 33 der Anstreifkante 32 ist eine inFigur 1 nicht weiter dargestellte Schneidschicht aufgebracht, die jedoch in denFiguren 2 und 3 im Detail zu sehen ist. - Die
Figuren 2 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Turbinenschaufel-Blattspitzen 30 im Längsschnitt entsprechend der Schnittlinie II-II, wobei zudem eine mit einer Einlaufschicht 13 versehene Gehäusewand 11 ausschnittsweise dargestellt ist. Eine Rotationsachse eines Rotors einer Turbine, in welcher die Turbinenlaufschaufel 10 zu Anwendung vorgesehen ist, ist mit A bezeichnet, die Rotationsrichtung des Rotors mit D. Gemäß dem inFig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist das Schaufelblatt 16 sowohl saugseitig eine Anstreifkante 32s als auch druckseitig eine Anstreifkante 32d auf. Beide Anstreifkanten 32 sind derartig auf der Blattspitze 30 angeordnet, dass ihre seitlich nach außen weisenden Seitenflächen 35 jeweils stufenlos mit den Flächen der Saugseitenwand 22 bzw. Druckseitenwand 24 ineinander übergehen. Mithin stellen diese Seitenflächen 35 der Anstreifkanten 32s, 32d Teile der Saugseitenwand 22 und Teile der Druckseitenwand 24 dar, weswegen diese ebenso wie das originäre Schaufelblatt 16 mit einer Haftvermittlerschicht 40 und einer Wärmedämmschicht 42 überzogen sind. Auf der nach außen weisenden Stirnfläche 33 ist eine Schneidschicht 36 aufgebracht, die ihrerseits wiederum eine nach außen weisende Schneidfläche 37 aufweist. Die Stirnfläche 33 der saugseitigen Anstreifkante 32s ist auf einem Radius R2 angeordnet, welcher größer ist als der Radius R1 der radial äußeren Kante 23 der Druckseitenwand 24. In diesem Ausführungsbeispiel fällt die radial äußere Kante 23 der Druckseitenwand 24 mit der radial äußerste Kante der druckseitigen Anstreifkante 32d zusammen, da letztere schneidschichtfrei ist oder weniger weit radial hervorsteht als die saugseitige Anstreifkante 32s. Die Radien R1, R2 beziehen sich auf eine Rotationsachse A und sind in einer Ebene zu ermitteln, welche normal zur Rotationsachse der Turbine ist. Diese Ebene fällt somit mit der Blattebene der Zeichnung zusammen. Anstelle der Radien R1 und R2 lassen sich in analoger Weise nicht weiter dargestellte Abstände in der gleichen Ebene ermitteln. Diese beziehen sich dann nicht auf die Rotationsachse, sondern auf eine Unterseite 15 des Schaufelfußes 12, insbesondere auf dessen Mitte. -
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Blattspitze 30. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist diese Turbinenlaufschaufel 10 lediglich eine einzige Anstreifkante 32 auf, die saugseitig vorgesehen ist; die druckseitige Anstreifkante des ersten Ausführungsbeispiels ist ersatzlos weggefallen. Auch hier ist die nach außen weisende Schneidfläche 37 der Schneidschicht 36 auf einem Radius R2 angeordnet, welcher größer ist als der Radius R1 der radial äußeren Kante 23 der Druckseitenwand 24. -
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Blattspitze 30. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist die einzige Anstreifkante 32 nicht saugseitig, sondern mittig zwischen der Saugseitenwand 22 und der Druckseitenwand 24 angeordnet. Auch hier ist die nach außen weisende Schneidfläche 37 der Schneidschicht 36 auf einem Radius R2 angeordnet, welcher größer ist als der Radius R1 der radial äußeren Kante 23 der Druckseitenwand 24. -
Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Blattspitze 30. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist die Stirnfläche 33 der Anstreifkante 32d nicht senkrecht zur Radialrichtung. Im Längsschnitt betrachtet ist die in der Ebene der Stirnfläche 33 liegende Schnittlinie zur Druckseitenwand 24 hin abfallend geneigt, so dass die Stirnfläche 33 dort auf einem kleineren Radius (23) endet als ihr gegenüberliegendes voreilendes Ende. Auch diese Variante schützt die Schicht 40, 42 vor einer sie spitzenseitig ggf. zerstörenden Zugbelastung. - In jedem der gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Schaufelblatt 16 jeweils sowohl saugseitig als auch druckseitig großflächig zuerst von einer Haftvermittlerschicht 40 überzogen, die ihrerseits wiederrum durch eine keramische Wärmedämmschicht 42 abgedeckt ist. Es ist dabei möglich, dass ein restlicher Teil 39 der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze 30 auch mit der Haftvermittlerschicht 40 und/oder der Wärmedämmschicht 42 überzogen ist.
- Die zur Druckseite weisende Seitenfläche 35 der Anstreifkante 32 ist mithin zur Druckseitenwand 24 derartig versetzt angeordnet, dass bei bestimmungsgemäßen Gebrauch der Turbinenlaufschaufel 10 im Rotor einer Turbine in Bezug auf die Rotationsrichtung D die Anstreifkanten-Seitenfläche 35 der Druckseitenwand 22 vorauseilt.
- Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass die beiden Schichten 40, 42 nicht direkt an die Schneidschicht 36 angrenzen und diese berühren, sondern von dieser getrennt sind. Dies gilt insbesondere für die beiden ersten Ausführungsbeispiele, bei denen die Schneidschicht 36 auch saugseitig an einer radial äußersten Kante 25 der Anstreifkante 32 in Kontakt mit den Schichten 40, 42 gelangen könnte, was aber durch einen hinreichend große Lücke vermieden wird. Die Schneidschicht 36 hat somit keinen unmittelbaren Einfluss auf die Schichten 40, 42 des Schaufelblatts 16, weder saugseitig noch druckseitig. Dies erhält die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel 10 selbst bei Reibkontakt mit der Einlaufschicht 13 oder gar bei Verlust der Schneidschicht 36 aufrecht.
- Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenlaufschaufel 10 für eine Gasturbine mit einem Schaufelblatt 16 umfassend eine von einem Heißgas S anströmbare Vorderkante 18, von der aus sich eine Saugseitenwand 22 und eine Druckseitenwand 24 zu einer Hinterkante 20 des Schaufelblatts 16 erstrecken, wobei das Schaufelblatt 16 in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung R von einem fußseitigen Ende 26 zu einem eine Blattspitze 30 bildenden spitzenseitigen Ende 28 erstreckt und wobei an der radial nach außen weisenden Fläche der Blattspitze 30 eine erste Schneidschicht 36 aufgebracht ist. Um eine Turbinenlaufschaufel 10 bereitzustellen, welche eine verbesserte Lebensdauer aufweist, wird vorgeschlagen, dass die die Schneidschicht 36 aufweisende Stirnfläche 33 auf einem größeren Radius R2 angeordnet ist als eine radial äußerste Kante 23 der Druckseitenwand 24.
Claims (8)
- Turbinenlaufschaufel (10) für eine Gasturbine,
mit einem Schaufelblatt (16) umfassend eine von einem Heißgas anströmbare Vorderkante (18), von der aus sich eine Saugseitenwand (22) und eine Druckseitenwand (24) zu einer Hinterkante (20) des Schaufelblatts (16) erstrecken,
wobei das Schaufelblatt (16) in einer sich dazu quer erstreckenden Radialrichtung von einem fußseitigen Ende (26) zu einem eine Blattspitze (30) bildenden spitzenseitigen Ende (28) erstreckt, und
wobei die Blattspitze (30) zumindest eine Anstreifkante (32) mit einer radial nach außen weisende Stirnfläche (33) aufweist, auf welcher Stirnfläche (33) eine Schneidschicht (36) aufgebracht ist und
wobei zumindest auf der Druckseitenwand (24) des Schaufelblatts (16) zumindest eine Schicht (40, 42) aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die die Schneidschicht (36) aufweisende Stirnfläche (33) auf einem größeren Radius angeordnet ist als eine radial äußerste Kante (23) der Druckseitenwand (24). - Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der die zumindest eine Anstreifkante (32) saugseitig auf der Blattspitze (30) oder mittig zwischen Saugseitenwand (22) und Druckseitenwand (24) angeordnet ist. - Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1 bzw. 2,
bei der an der Blattspitze (30) zumindest zwei Anstreifkanten (32s, 32d) vorgesehen sind, von denen eine erste saugseitig (32s) und eine zweite davon druckseitig (32d) angeordnet ist, wobei die zur Druckseite des Schaufelblatts (16) weisende Seitenfläche der ersten Anstreifkante (32s) und die Fläche der Druckseitenwand (24) stufenlos ineinander übergehen,
wobei die erste Anstreifkante (32s) eine in Radialrichtung erfassbare Höhe aufweist, welche geringer ist als die Höhe der zweiten Anstreifkante. - Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die nach außen weisende Stirnfläche (33) der zumindest einen, die Schneidschicht (36) aufweisenden Anstreifkante (32) zur Druckseitenwand (24) hin abfallend geneigt ist. - Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die zumindest eine Schicht als keramische Wärmedämmschicht (42) ausgestaltet ist. - Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die zumindest eine Schicht zumindest zwei Schichten umfasst, von denen eine zuerst aufgetragene Schicht als Haftvermittlerschicht (40) und eine darüber aufgetragene Schicht als eine keramische Wärmedämmschicht (42) ausgestaltet ist. - Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 5 oder 6,
bei der die keramische Wärmedämmschicht (42) des Schaufelblatts (16) von auf der die Schneidschicht (36) aufweisenden Anstreifkante (42) oder
von auf der Blattspitze aufgebrachten Schichten (40, 42) getrennt ist. - Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die Schneidschicht (36) Hartpartikel, insbesondere aus kubischem und/oder hexagonalem Bornitrid, und MAX-Phasen enthält.
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2018
- 2018-03-29 EP EP18165004.5A patent/EP3546702A1/de not_active Withdrawn
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2019
- 2019-03-25 WO PCT/EP2019/057405 patent/WO2019185526A1/de active Application Filing
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