DE102004002943B4

DE102004002943B4 - Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102004002943B4
Application number: DE102004002943A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Däubler; Klaus Dr. Schweitzer
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: WO2005071228A1; DE102004002943A1

Abstract

Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, das auf ein erstes Bauteil (11), welches vorzugsweise aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, aufgebracht und gegenüber einem relativ zu diesem beweglichen, zweiten Bauteil (10), welches aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, einlauffähig ist, mit einem mehrere Schichten (16, 17, 18) aufweisenden Einlaufbelag (13), wobei eine erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu einer zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) härter ist, wobei die zweite, außenliegende Schicht (17) einlauffähig ist, und wobei die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) keramisch sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) jeweils derart gradiert sind, dass sich über die Dicke der Schichten (16, 17, 18) die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert, dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu der zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) eine geringere...

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Rotor-/Statordichtung.
Eine Gasturbine, wie zum Beispiel ein Flugtriebwerk, verfügt über mindestens einen Rotor sowie mindestens einen Stator. Dem Rotor sind mehrere, zusammen mit dem Rotor rotierende Laufschaufeln zugeordnet, wobei die Laufschaufeln gegenüber einem Stator rotieren. Der Stator wird in der Regel von einem feststehenden Gehäuse sowie feststehenden Leitschaufeln gebildet. Um unerwünschte, den Wirkungsgrad von Gasturbinen beeinflussende Spaltverluste gering zu halten, ist es unter anderem erforderlich, Spalte zwischen den hochtourig drehenden Laufschaufeln des Rotors und einem den Rotor umgebenden, statorseitigen Gehäuse möglichst dauerhaft gering zu halten, d.h. eine möglichst gute Dichtwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator zu erzielen.
Das Spaltmaß der obigen Spalte ist bekanntlich nicht konstant, sondern es unterliegt während der unterschiedlichen Betriebsphasen der Gasturbine Veränderungen. So erfahren zum Beispiel die rotierenden Laufschaufeln unter hohen Betriebsbelastungen aufgrund der thermischen Beanspruchung sowie der wirkenden Zentrifugalkraft eine Streckung in radialer Richtung, während das statorseitige, feststehende Gehäuse nur einer thermischen Dehnung unterliegt. Diese unterschiedlichen thermischen Reaktionscharakteristika führen zu den Veränderungen des Spaltmaßes.
Damit die unterschiedlichen thermischen Reaktionscharakteristika der rotierenden Laufschaufeln mit dem die Laufschaufeln umgebenden Gehäuse und der Forderung nach geringem Spaltmaß zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Gehäuse berücksichtig wird, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, zwischen den Schaufelspitzen der rotierenden Laufschaufeln und dem statorseitigen Gehäuse ein Anstreifen bzw. Einlaufen zuzulassen. Um hierbei Beschädigungen der Schaufelspitzen der rotierenden Laufschaufeln und des feststehenden Gehäuses auszuschließen, ist auf die Schaufelspitzen der Lauf schaufeln häufig eine sogenannte Abrasivbeschichtung aufgebracht, wohingegen auf das statorseitige, feststehende Gehäuse zumindest bereichsweise ein entsprechender Einlaufbelag aufgebracht ist. Beim Anstreifen bzw. Einlaufen der Schaufelspitze an dem auf das feststehende Gehäuse aufgebrachten Einlaufbelag schneiden bzw. reiben die Schaufelspitzen oder die auf die Schaufelspitzen der rotierenden Laufschaufeln aufgebrachten Abrasivpartikel in den Einlaufbelag ein und tragen diesen bereichsweise ab.
Um den Verschleiß der Schaufelspitzen möglichst gering zu halten, ist es aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, Einlaufbeläge, d.h. Beläge mit geringer Abriebfestigkeit, zu verwenden. Einlaufbeläge mit geringer Abriebfestigkeit verfügen zudem über eine gute Wärmedämmung und erlauben aufgrund ihrer guten Einlauffähigkeit Einlauftiefen im Millimeterbereich (typischerweise 0,1 mm bis 1,0 mm), ohne dass Schaufelbeschädigungen auftreten. Ein derartiger Einlaufbelag ist zum Beispiel aus der US 4,936,745 bekannt. Als nachteilig erweist sich jedoch der Umstand, dass die weichen Einlaufbeläge erosionsempfindlich sind, über eine schlechte Thermowechselbeständigkeit verfügen, was insgesamt zu einer eingeschränkten Lebensdauer führt.

Aus der DE 102 25 532 C1 ist ein Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine bekannt, das auf ein metallisches Bauteil aufgebracht ist. Bei dem metallischen Bauteil handelt es sich zum Beispiel um ein Gehäuse aus einer Titanbasislegierung. Das dort beschriebene Schichtsystem ist gegenüber einem rotierenden Bauteil einlauffähig und verfügt über einen zwei Schichten umfassenden Einlaufbelag. Die beiden Schichten des Einlaufbelags sind keramisch ausgebildet, wobei eine erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags relativ hart ist und wobei eine zweite, außenliegende Schicht einlauffähig ist. Die beiden Schichten des Schichtsystems gemäß DE 102 25 532 C1 verfügen beide entlang ihrer Dicke über eine gleichbleibende Konsistenz, sie sind demnach beide nicht gradiert. Die Haftschicht zwischen Bauteil und Einlaufbelag kann aber gradiert ausgeführt sein. Aus dem in der DE 102 25 532 C1 genannten Stand der Technik ist auch ein Schichtsystem mit drei keramischen Schichten bekannt, wovon die Zwischenschicht gradiert ist.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Schichtsystem für die Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine sowie eine entsprechende Strömungsmaschine vorzuschlagen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Schichtsystem für die Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Schichten des Einlaufbelags jeweils derart gradiert, dass sich über die Dicke der Schichten die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert, wobei die erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags relativ zu der zweiten, außenliegenden Schicht des Einlaufbelags eine geringere Porosität aufweist und/oder dichter ist, und wobei die erste, innenliegende Schicht des Einlaufbelags eine Titanfeuerschutzschicht bereitstellt. Das erfindungsgemäße Schichtsystem verfügt über einen dreischichtigen Einlaufbelag, wobei alle Schichten des Einlaufbelags derart gradiert sind, dass sich die Porosität und/oder Zusammensetzung der Schichten über die Dicke derselben verändert. Das Schichtsystem ist speziell für Rotoren sowie Statoren abgestimmt, die aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet sind. Die innere Schicht des Einlaufbelags stellt nämlich eine Titanfeuerschutzschicht bereit. Mit einer derartigen Titanfeuerschutzschicht kann ein Titanfeuer an den Bauteilen aus der Titanbasislegierung oder der Titan-Aluminium-Legierung sicher verhindert werden. Die zweite, außenliegende Schicht ist sowohl einlauffähig als auch erosionsbeständig. Die dritte Schicht stellt eine Wärmedämmschicht bereit.

Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Bauteil und dem Einlaufbelag eine metallische Haftschicht angeordnet, wobei die Haftschicht zwischen der ersten, innenliegenden Schicht des Einlaufbelags und dem Bauteil angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine ist im Patentanspruch 10 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein stark schematisiertes Prinzipbild zur Verdeutlichung des der hier vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problems;
2 eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems;
3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schichtsystem in sogenannter Hellfelddarstellung; und
4 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Schichtsystem der 3 in sogenannter Dunkelfelddarstellung.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt stark schematisiert eine rotierende Laufschaufel 10 einer Gasturbine, die gegenüber einem feststehenden, statorseitigen Gehäuse 11 in Richtung des Pfeils 12 rotiert. Auf dem Gehäuse 11 ist ein Schichtsystem 13 für eine Rotor-/Statordichtung zwischen der rotorseitigen Laufschaufel 10 und dem statorseitigen Gehäuse 11 angeordnet, wobei das Schichtsystem 13 einen Einlaufbelag bildet. Das Schichtsystem 13 dient der Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einer Spitze 14 der rotierenden Laufschaufel 10 und dem feststehenden Gehäuse 11. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Gehäuse 11 handelt es sich nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um das Gehäuse eines Verdichters.
Die Anforderungen, die an ein solches Schichtsystem gestellt werden, sind sehr komplex. So muss das Schichtsystem ein optimiertes Abriebverhalten aufweisen, d.h. es muss eine gute Spanbildung und Entfernbarkeit des Abriebs gewährleistet sein. Weiterhin darf kein Materialübertrag auf die rotierenden Laufschaufeln 10 erfolgen. Das Schichtsystem 13 muss des weiteren einen niedrigen Reibwiderstand beim Einreiben aufweisen. Des weiteren darf sich das Schichtsystem 13 beim Anstreifen durch die rotierenden Laufschaufeln 10 nicht entzünden. Bei einem Gehäuse 11, welches vorzugsweise aus einer Titanbasisle gierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung oder auch einem anderen Werkstoff gebildet ist, und bei Laufschaufeln 10, die aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet sind, muss ein Titanfeuer sicher vermieden werden. Als weitere Anforderungen, die an das Schichtsystem 13 gestellt werden, seien hier die Erosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Thermowechselbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schmierstoffen und Meerwasser exemplarisch genannt. 1 verdeutlicht, dass bedingt durch die beim Betrieb der Gasturbine auftretenden Fliehkräfte und die Erwärmung der Gasturbine die Enden 14 der Laufschaufeln 10 mit dem Schichtsystem 13 in Kontakt kommen und so ein Abrieb 15 freigesetzt wird. Dieser pulverisierte Abrieb 15 darf keine Beschädigungen an den rotierenden Laufschaufeln 10 hervorrufen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird nun ein Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, vorgeschlagen, das auf ein erstes Bauteil, nämlich auf das Gehäuse 11, welches vorzugsweise aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, aufgebracht ist. 2 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführung dieses Schichtsystems, welches auf das Gehäuse 11 aufgebracht ist. Das Schichtsystem gemäß 2 verfügt über einen Einlaufbelag 13, wobei der Einlaufbelag 13 im Ausführungsbeispiel der 2 aus drei Schichten gebildet ist, nämlich aus einer ersten, innenliegenden Schicht 16, einer zweiten, außenliegenden Schicht 17 und einer zwischen den beiden Schichten 16 und 17 angeordneten, dritten Schicht 18. Es sei darauf hingewiesen, dass die dritte Schicht 18 optional, jedoch besonders bevorzugt ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind alle drei Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 keramisch ausgebildet. Alle drei Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 sind vorzugsweise aus einem mit 6–8 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisierten Zirkonoxid, vorzugsweise aus ZrO₂·7Y₂O₃, gebildet. Weiterhin sind alle drei Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 derart gradiert, dass sich über die Dicke der Schichten 16, 17 und 18 die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert.
Die erste, innenliegende Schicht 16 des Einlaufbelags 13 ist gegenüber der zweiten, außenliegenden Schicht 17 relativ hart sowie relativ dicht und verfügt demnach über eine relativ geringe Porosität. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bildet die erste, innenliegende Schicht 16 eine Titanfeuerschutzschicht. Die zweite, außenliegende Schicht 17 des Einlaufbelags 13 ist relativ weich und verfügt über eine relativ große Porosität. Die zweite, außenliegende Schicht 17 ist einlauffähig und ermöglicht ein verschleißfreies Einlaufen der Spitzen 14 der rotierenden Laufschaufeln 10 in den Einlaufbelag 13. Die zwischen den beiden Schichten 16 und 17 positionierte dritte Schicht 18 stellt eine Wärmedämmschicht bereit und bildet einen Übergang zwischen den Schichten 16 und 17.
Gemäß 2 ist zwischen dem Einlaufbelag 13 und dem Gehäuse 11 eine Haftschicht 19 angeordnet. Die Haftschicht 19 ist, wie 2 zeigt, zwischen der ersten, innenliegenden Schicht 16 des Einlaufbelags 13 und dem Gehäuse 11 angeordnet. Die Haftschicht ist metallisch, vorzugsweise aus einer Nickel-Aluminium-Legierung, hergestellt. Die Haftschicht 19 verfügt über eine an die erste, innenliegende Schicht 16 des Einlaufbelags 13 angepasste, raue Oberfläche, um so eine Verzahnung mit der ersten, innenliegenden Schicht 16 des Einlaufbelags 13 zu erreichen und eine gute Haftung des Einlaufbelags 13 auf der Haftschicht 19 und damit letztendlich auf dem Gehäuse 11 zu gewährleisten.
3 und 4 zeigen mikroskopische Aufnahmen eines erfindungsgemäßen Schichtsystems, wobei 3 eine sogenannte Hellfelddarstellung und 4 eine sogenannte Dunkelfelddarstellung ist. Aus den Darstellungen der 3 und 4 kann die unterschiedliche Porosität der in sich gradierten Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 entnommen werden.
Der gesamte Einlaufbelag 13 verfügt typischerweise über eine Dicke von 1,0 mm bis 10 mm, insbesondere über eine Dicke von 1,5 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt über eine Dicke von 1,5 mm bis 3 mm. Die erste, innenliegende Schicht 16 des Einlaufbelags 13 verfügt über eine Dicke von mindestens 1 mm. So zeigt 4, dass im bevorzugten Ausführungsbeispiel die erste, innenliegende Schicht 16 über eine Dicke von 1000 μm, also 1 mm, verfügt. Die zweite, außenliegende Schicht 17 verfügt über eine Dicke von mindestens 0,4 mm, wegen der zu gewährleistenden Einlauftiefen insbesondere von mindestens 0,8 mm. Im Ausführungsbeispiel der 4 verfügt die zweite, außenliegende Schicht 17 über eine Dicke von 1050 μm, also 1,05 mm. Die dritte Schicht 18, die zwischen der ersten, innenliegenden Schicht 16 und der zweiten, außenliegenden Schicht 17 positioniert ist, verfügt über eine Dicke von mindestens 0,1 mm, insbesondere über eine Dicke von mindestens 0,3 mm. Im Ausführungsbeispiel der 4 beträgt die Dicke der dritten Schicht 330 μm, also 0,33 mm.
Jede der in sich gradierten, keramischen Schichten 16, 17 und 18 des Einlaufbelags 13 wird durch thermische Spritzen hergestellt. Die Gradierung kann zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass während des Auftragens einer der Schichten 16, 17 bzw. 18 das Verhältnis der zum thermischen Spritzen verwendeten Materialien verändert wird. Des weiteren können zur Beeinflussung der Porosität Prozessparameter, wie die Prozesstemperatur, beim thermischen Spritzen geändert werden. Auch hierdurch lässt sich die Porosität beeinflussen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demzufolge ein Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine vorgeschlagen, die einen mehrschichtigen Einlaufbelag aufweist, wobei jede Schicht des Einlaufbelags keramisch ist und über eine gradierte, d.h. sich kontinuierlich ändernde, Porosität und/oder Zusammensetzung verfügt. Dadurch, dass in dem Einlaufbelag durchgängig keramische Schichten zum Einsatz kommen, werden Eigenschaftssprünge innerhalb des Einlaufbelags auf ein Minimum reduziert. Dies erhöht die Lebensdauer des Einlaufbelags. Der erfindungsgemäße Einlaufbelag erfüllt gleichzeitig Forderungen, wie Titanfeuerschutz, Erosionsbeständigkeit, gutes Anstreifverhalten sowie Wärmedämmung. Er eignet sich insbesondere zur Verwendung in Verdichtern eines Flugtriebwerks.

10: Laufschaufel
11: Gehäuse
12: Pfeil
13: Einlaufbelag
14: Spitze
15: Abrieb
16: Schicht
17: Schicht
18: Schicht
19: Haftschicht

Claims

Schichtsystem für eine Rotor-/Statordichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, das auf ein erstes Bauteil (11), welches vorzugsweise aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, aufgebracht und gegenüber einem relativ zu diesem beweglichen, zweiten Bauteil (10), welches aus einer Titanbasislegierung oder einer Titan-Aluminium-Legierung gebildet ist, einlauffähig ist, mit einem mehrere Schichten (16, 17, 18) aufweisenden Einlaufbelag (13), wobei eine erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu einer zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) härter ist, wobei die zweite, außenliegende Schicht (17) einlauffähig ist, und wobei die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) keramisch sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) jeweils derart gradiert sind, dass sich über die Dicke der Schichten (16, 17, 18) die Porosität und/oder Zusammensetzung derselben verändert, dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) relativ zu der zweiten, außenliegenden Schicht (17) des Einlaufbelags (13) eine geringere Porosität aufweist und/oder dichter ist, dass die erste, innenliegende Schicht (16) des Einlaufbelags (13) eine Titanfeuerschutzschicht bereitstellt, dass der Einlaufbelag (13) drei Schichten (16, 17, 18) aufweist, wobei zwischen der ersten, innenliegenden Schicht (16) und der zweiten, außenliegenden Schicht (17) eine dritte Schicht (18) angeordnet ist, und dass die dritte Schicht (18) eine Wärmedämmschicht bereitstellt.
Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (16, 17, 18) des Einlaufbelags (13) auf Basis von yttriumstabilisiertem Zirkonoxid ausgeführt sind, insbesondere auf Basis von ZrO₂·7Y₂O₃.
Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) über eine Dicke 1,0 mm bis 10 mm verfügt, insbesondere über eine Dicke von 1,5 mm bis 5 mm, bevorzugt über eine Dicke von 1,5 mm bis 3 mm.
Schichtsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, innenliegende Schicht (16) eine Dicke von in etwa 1 mm aufweist.
Schichtsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, außenliegende Schicht (17) eine Dicke von mindestens 0,4 mm, insbesondere von mindestens 0,8 mm, aufweist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (18) eine Dicke von mindestens 0,1 mm, insbesondere von mindestens 0,3 mm, aufweist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bauteil (11) und dem Einlaufbelag (13) eine Haftschicht (19) angeordnet ist, wobei die Haftschicht (19) zwischen der ersten, innenliegenden Schicht (16) und dem Bauteil (11) angeordnet ist.
Schichtsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (19) metallisch ausgeführt ist, insbesondere aus einer Nickel-Aluminium-Legierung oder aus einem MCrAlY-Werkstoff.
Schichtsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (19) eine Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere von 0,15 mm bis 0,3 mm, aufweist.
Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit einem umlaufenden Rotor (10), mit einem den Rotor (10) umgebenden Stator (11) und mit einem Einlaufbelag (13), wobei der Einlaufbelag (13) bereichsweise auf dem Stator (11) zur Dichtung zwischen Rotor (10) und Stator (11) aufgebracht ist und ein Einlaufen des Rotors (10) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) Teil eines Schichtsystems nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 ist.