DE3500692C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dem der später noch erörterte, lediglich früher angemeldete und aus der DE-OS 34 01 742 bekannten Fall zugrunde gelegt ist.

Bei neuzeitlichen Strömungsmaschinen, insbesondere Gastur­ binentriebwerken bzw. Gasturbinenstrahltriebwerken, ist man bemüht, in Kombination mit geeigneten Einlaufbelägen die betreffenden Laufschaufelspitzenspalte bzw. Dichtungsspiele von Verdichtern oder Turbinen - sei es in axial oder radial durchströmter Bauweise - u. a. im Interesse bestmöglicher Wirkungsgrade sowie geringstmöglicher Brennstoffverbräuche möglichst gering zu halten. Trotz vielfach schon vorgeschla­ gener und auch verwendeter flug- und triebwerkszustandsab­ hängig, durch zusätzliche Luftanblasung thermisch gesteuerter Gehäusestrukturen von Verdichtern oder Turbinen gelingt es vielfach nicht, die extrem geringen Schaufelspitzenspalte über den gesamten Betriebszustand konstant halten zu können, so daß bei extremen Flugsituationen, wie Start- und Steig­ flugphasen, extremen Manöverlasten, bzw. instationären Trieb­ werkzuständen, entsprechend extreme Schaufelanstreifvorgänge nicht zu vermeiden sind. Es werden also bekanntlich auf sta­ tische Gehäusebauteile oder Dichtungsträger Einlaufbeläge aufgebracht, die z. B. verhältnismäßig weich und duktil sind. Hierfür kommen u. a. sogenannte "honigwabenförmige", aus dünnen Blechstreifen zusammengesetzte, bandartige Einlauf­ beläge zum Einsatz, welche durch Löten auf die betreffenden Bauteile aufgebracht werden. Neben der vergleichsweise komplizierten Herstellungs- und Befestigungsart ist es ein weiterer wesentlicher Nachteil dieser Beläge, daß sie ver­ gleichsweise hoch-wärmeleitend sind, so daß es insbesondere als Folge lediglich über dem Umfang örtlich auftretender Anstreifvorgänge und Temperaturspitzen zu entsprechend ört­ lich inhomogenen Gehäuse- oder Einlaufbelagträgerüberhit­ zungen kommt, die wiederum unerwünschte Bauteilverformungen oder gar -risse entstehen lassen können; sofern derartige Gehäuse- bzw. Einlaufbelagtragstrukturbeeinflussungen und damit ebenfalls einhergehende Einlaufbelagverwerfungen nicht rechtzeitig erkannt werden, kann dies u. a. im günstigsten Fall zu erheblichem Schaufelspitzen- und Einlaufbelagver­ schleiß, im Extremfall aber zu einseitig schlagartigen Schaufelanstreifvorgängen und gegebenenfalls Schaufelbrüchen führen.

Um nun einerseits bezüglich der serienweisen, einfachen Her­ stellbarkeit von Einlaufbelägen, andererseits bezüglich der thermischen, der Erosions- bzw. Verschleißprobleme zu einer Optimierung des Einlauf- und Anstreifverhaltens bei zugleich minimalen Schaufelspitzenspalten gelangen zu wollen, versucht man, thermisch gespritzte Einlaufbeläge auf die betreffenden Gehäuseinnenstrukturen aufzubringen. Dafür können also ver­ gleichsweise hoch-legierte metallische Werkstoffkombinationen vergleichsweise gut haftend aufgebracht werden; für den Einsatz derartiger Werkstoffe spricht ferner u. a. neben dem gut haftenden ein vergleichsweise günstiges thermisches Ver­ halten sowie die Temperaturbeständigkeit, wobei gegen diesen Werkstoffeinsatz die vergleichsweise geringe Duktilität und der vergleichsweise enge Spielraum bezüglich der Wahl der Belaghärte spricht; diese nach oben zu begrenzende Belag­ härte ist also im Hinblick auf die erforderliche Erosions­ beständigkeit bei modernen Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, zu gering, so daß es zu Auswaschungen oder Ausbrökelungen des Einlaufbelags kommt.

Mit anderen Worten stehen sich also für die betreffende Ein­ laufbelagausbildung die Forderungen "weicher Belag wegen eines guten Einlaufverhaltens und Beherrschung lastbedingter Anstreifvorgänge" und "harter Belag zur Beherrschung der Erosionsbeständigkeit" gegenüber.

Um in Rahmen der aufgezeigten Problematik zu einer Verbes­ serung gelangen zu wollen, sieht ein früher angemeldeter Fall gemäß zugehöriger DE-OS 34 01 742, eine oder nur ein­ zelne Laufschaufeln am Rotor einer Axialströmungsmaschine an ihrem dem Gehäuse zugekehrten Endbereich deckbandartig auszubilden und diesen deckbandartigen Schaufelendbereich mit einer radial außen liegenden, verschleißfesten Schicht bzw. einer sogenannten "Panzerschicht" auszustatten. Es soll­ te so zumindest theoretisch eine Möglichkeit gefunden werden, eine oder einzelne Laufschaufeln verschleißfester, den be­ treffenden Einlaufbelag dann vergleichsweise hart und erosionsfest ausbilden zu wollen.

Die zum genannten Fall erwähnten Spezialschaufeln verlangen einen vergleichsweise teuren Herstellungsprozeß, der sich zum einen in der besonderen deckbandartigen Profilierung sowie zum anderen darin äußert, daß für die betreffende Nut­ fertigung in der betreffenden Laufradscheibe zwei Räumnadeln benötigt werden.

Mit anderen Worten ist eine derartige Spezialschaufel gegen­ über den übrigen Laufschaufeln vergleichsweise gewichtlich schwerer, mit der Folge erhöhter Fliehkräfte sowie erhöhter materialseitiger Einmündungserscheinungen, insbesondere im Schaufelfuß als Folge von Wechselbeanspruchungen (Low-Cycle- Fatigue-LCF), was u. a. eine demgemäß verstärkt bzw. ver­ größerte Fußprofilierung und eine demgemäß gegenüber den übrigen normalen Laufschaufeln vergrößerte Fußnut in der Scheibe (s. h. zwei Räumnadeln, oben) erzwingt.

Außerdem ist dabei der Aufwand zur Unwucht-Kompensation zu beachten, insbesondere dann, wenn eine oder einzelne längerer Schaufeln mit einer dem genannten Fall entsprechenden Spit­ zenausführung in einem Kranz "normaler Schaufeln" sitzen.

Außerdem führt die im genannten Fall ausschließlich radial außen auf den deckbandartigen Endbereich der betreffenden Laufschaufel aufgebrachte Panzerschicht zusammen mit, aber hauptsächlich im Wege dieser deckbandartigen Schaufelend­ verdickungen innerhalb des Strömungskanals zu nicht uner­ heblichen aerodynamischen Störungen und Verlusten, die zudem noch durch die unterschiedlichen Schaufellängen und damit unterschiedlichen Spitzenspiele vergrößert werden.

Ein besonders gravierender Mangel dürfte beim genannten Fall jedoch darin zu sehen sein, daß jeweils nur die eine bzw. einzelne Laufschaufeln einem Schleifprozeß im Wege der Ein­ laufbelagbeschichtung unterziehbar wären, mit anderen Worten die "Schleifscheibe" bei jeder Rotorumdrehung eine oder z. B. zwei harte Laufschaufelspitzen bearbeitet, also "hackt". Aufgrund der mechanisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten dürften somit gleichförmige optimale Einlaufeigenschaften bei minimalsten Schaufelspitzenspalten praktisch nicht zu realisieren sein. Auch ein Schaufeltausch bei beschädigten Schaufeln könnte - wegen der unterschiedlichen Schaufelkon­ figurationen pro Stufe - zu Verwechslungen und weiteren Problemen führen.

Einer aus der DE-OS 28 53 959 bekannten Gasdichtung nebst Herstellverfahren liegt für die dortige Schaffung der betreffenden Schaufelspitze ein Mehr-Komponenten-Ver­ bundkonzept zugrunde, bestehend aus einem inneren Spitzen­ teil und einem äußeren Spitzenteil. Der innere Spitzenteil stellt dabei ein gegenüber dem Schaufelwerkstoff gesondertes Legierungsbauteil dar, das im Hinblick auf die gegebenen Betriebstemperaturen gegen Oxidation, Sulfidierung und thermische Ermüdung beständig ausgebildet sein soll. Genau so - wie in Fig. 2 der betreffenden DE-OS verdeutlicht - soll dabei der äußere Spitzenteil aus einer Matrix (Legierung) gefertigt sein, in die wiederum besondere Abriebsteilchen eingeschlossen sind, die spitzenseitig radial aus der äußeren Endfläche der Matrix vorstehen sollen; es soll dabei also ausdrücklich die Dicke der Matrix geringer als die längste Abmessung der Abriebteilchen ausgebildet sein.

Zwar soll in diesem bekannten Fall die Härte der Abriebsteil­ chen größer als die Härte der schaufelspitzenseitigen Gegen­ fläche gewählt sein. Im Wege der Anordnung und Ausbildung der besonderen Abriebs- oder Schleifteilchen ergibt sich im bekannten Fall jedoch eine schneidartige, irreguläre Schaufelend­ spitze.

Geht man dabei von der Zuordnung eines im vorliegenden be­ kannten Fall nirgendwo behandelten Schaufeleinlaufbelags aus, so ist mit Sicherheit damit zu rechnen, daß die Abriebsteil­ chen einen irregulären, schlagartigen Abrieb des Einlaufbe­ lags produzieren. Praktisch dürfte hierdurch jeglicher Weg verbaut sein, um einen spitzenseitig ganzflächigen, homogenen Schaufeleinlaufbelagabrieb gewährleisten zu können, wie er mit der Anforderung an einen homogenen minimalen Radialspalt im Einklang steht. Daran kann auch der amtliche Hinweis auf einen aus der DE-OS 26 55 929 für sich bekannten und gege­ benenfalls harten sowie durch eine Pulvermischung herzustel­ lenden Einlaufbelag nichts ändern; und zwar auch in Kombi­ nation mit dem zuvor behandelten bekannten Fall (DE-OS 28 53 959), der ohne besondere Erörterung der "Schaufel­ einlaufbelagsituation" den erwähnten künstlichen irregulären Einlaufbelagabrieb hervorruft, was aber zu Gunsten homogener kleiner Schaufelspalte gerade zu vermeiden wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach der eingangs genannten Art anzugeben, die unter Gewähr­ leistung minimaler Schaufelspitzenspalte erosionsarm, ver­ schleißarm sowie temperaturbeständig ist.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeich­ nungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die eingangs genannten, einander gegenüberstehenden Anfor­ derungen an die Einlaufmaterialausbildung können mit der Einrichtung somit tatsächlich auf "einen Nenner" gebracht werden, indem eine vergleichsweise hohe Belaghärte, die also der Erosion entgegenwirkt, mit einer Panzerschicht auf sämtlichen Laufschaufelspitzen, die Spitzenabrieb weitest­ gehend verhindert, kombiniert wird. Auf diese Weise sind gleichförmig über dem gesamten Umfang minimalste Schaufel­ spitzenspalte einstellbar.

Ferner zeigt die Einrichtung einen vergleichsweise geringen Bau- und Montage bzw. Fertigungsaufwand; zusätzliche Unwucht­ kompensationsvorkehrungen müssen nicht getroffen werden, auch kann die Einrichtung so ausgebildet und angeordnet werden, daß keine zusätzlichen aerodynamischen Störungen oder Schikanen sowie aerodynamischen Verluste hervorgerufen werden.

Außerdem sind beispielsweise bei instationären Betriebszu­ ständen auftretende Schaufelanstreifvorgänge beherrschbar.

Der bei der Einrichtung einzige, gefügehomogene Werkstoff der Panzerschicht begünstigt die angestrebte erosions- bzw. verschleißlose Schaufelspaltoptimierung sehr. Es sind keine zusätzlichen separaten Schaufelspitzenteile sowie Mehr- Schicht-Kombinationen erforderlich. Die einzige "Panzer­ schicht" ist komplett in sich hart und gegebenen Verhältnis­ sen entsprechend verschleißfest.

Auch sind im Wege der Einrichtung keinerlei Nachteile be­ züglich der Gestaltung aerodynamisch optimierter, extrem schlanker bzw. dünnwandiger Laufschaufelprofile zu erwarten.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegen­ standes gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 7 hervor.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft weiter erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Axialverdichterteillängsschnitt in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Radialschnitt eines mit einer Panzer­ schicht versehenen Laufschaufelabschnitts und

Fig. 3 die perspektivische Ansicht einer ein­ zelnen, teilweise abgebrochen dargestell­ ten, vornehmlich die spitzenseitige Panzerschicht verdeutlichende Lauf­ schaufel.

Fig. 1 erläutert die Einrichtung bei einem hinsichtlich der wesentlichen Komponenten schematisch wiedergegebenen Axial­ verdichter eines Gasturbinenstrahltriebwerkes mit Rotor­ scheiben 1, 2 und Distanzscheiben 3, 4. Die betreffenden Lauf­ schaufeln 5 bzw. 6 der jeweiligen Laufschaufelgitter sind mit ihren Füßen 7 bzw. 8 radscheibenseitig in üblicher Weise verankert. Das Verdichtergehäuse 9 weist den betreffenden Laufschaufelspitzen zugekehrte Einlaufbeläge 10 bzw. 11 auf. Mit 12 bzw. 13 sind die Leitschaufeln betreffender Leit­ schaufelgitter bezeichnet, die hier innenringlos ausgeführt, also mit ihren inneren Enden betreffenden Anlaufbelägen 14 bzw. 15 der Distanzscheiben 3, 4 zugeordnet sind. Für das betreffende Laufschaufelgitter mit den Laufschaufeln 5 ist in Fig. 1 der betreffende Luft- bzw. Schaufelspitzenspalt schematisch mit S angegeben.

Sämtliche Laufschaufeln 5 bzw. 6 weisen an den äußersten Spitzen (bzw. -endkanten) eine einzige Panzerschicht 14′ bzw. 15′ auf, die gefügehomogen - durch und durch gleichartiges Gefüge - und verschleißfest ist; die Einlaufbeläge 10 bzw. 11 sind aus einem vergleichsweise harten, erosionsbeständigen Werkstoff gefertigt. Die Panzerschicht ist deutlich härter als der betreffende, mit dieser zusammenwirkende Einlaufbelag ausgebildet.

Im Interesse u. a. möglichst geringer aerodynamischer Verluste soll die Panzerschicht, z. B. 14′ (Fig. 2 und 3), im Spitzen­ bereich geringfügig seitlich überkragend aufgebracht sein, und zwar si, daß die Panzerschicht 14′ stets im Strömungs­ grenzschichtbereich G (Fig. 1) der Schaufelspitzen liegt (An­ spruch 2).

Hinsichtlich verschleißarmer Schaufelanstreifvorgänge können aufeinander abgestimmte Werkstoffe der Panzerschicht und des betreffenden Einlaufbelags vorgesehen sein, wobei ein Schau­ felspitzenabrieb und damit ein Auswechseln der Laufschaufeln nach wesentlich längeren Zeiträumen als zur Zeit möglich, erreicht wird.

Insbesondere im Interesse betriebssicherer, gefügehomogener Werkstoffverbindungen wäre einerseits die Panzerschicht auf den Schaufelwerkstoff und/oder der Einlaufbelagwerkstoff auf den Gehäusewerkstoff abzustimmen.

Zu Gunsten u. a. einer einfachen, rationellen Fertigung könnnen die jeweiligen Einlaufbeläge und/oder die Panzer­ schichten durch Spritzverfahren, z. B. Plasmaspritzen, auf­ gebracht werden.

An Stelle der genannten Spritzverfahren besteht ferner die Möglichkeit, die Einlaufbeläge und/oder die Panzerschichten im Wege eines chemischen oder elektrochemischen Abscheidever­ fahrens (Dispersion) zu erzeugen bzw. aufzubringen (An­ spruch 3).

Bei metallischen Gehäusen und Schaufeln können ferner die Panzerschicht und der Einlaufbelag ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff oder einer geeigneten Metallegierung gefertigt sein. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn gemäß Anspruch 4 die Panzerschicht aus einer harten, mit Kohlenstoff angereicherten, hochchrom­ haltigen Nickel-Chrom-Legierung, z. B. 80 Cr₃ C₂ 20 NiCr oder 75 Cr₃ C₂ NiCr, als Spritzschicht besteht, die also ver­ gleichsweise extrem hart und verschleißarm ist, so daß ein hinsichtlich seiner Härte erheblich heraufsetzbarer und somit erosionsfester Einlaufbelagwerkstoff zugrunde gelegt werden kann; letzteres trifft auch für einen Schichtwerkstoff gemäß Anspruch 5 zu, der als hoch-nickelhaltige Nickel-Chrom- Legierung, wie 85 Ni Cr, definiert ist.

Der Werkstoff für die Panzerschicht und/oder für den Einlauf­ belag könnte auch aus einer der drei Gruppen: Oxide, Karbide, Nitride ingenieurkeramischer Werkstoffe ausgewählt sein.

In spezieller ingenieurkeramischer Werkstoffauswahl (Anspruch 6) kann die Panzerschicht und/oder der Einlauf­ belag aus unter Zusatz von Yttriumoxid partiell stabili­ siertem Zirkonoxid, aus selbstgesintertem oder heißge­ preßtem Siliciumkarbid oder aus Siliciumnitrid (heißge­ preßt bzw. reaktionsgesintert bzw. selbstsinternd) gefer­ tigt sein.

Auch für den Einsatz dieser ingenieurkeramischen Werk­ stoffe gilt der Grundsatz, die keramische "Panzerschicht" entsprechend extrem hart und verschleißfrei sowie tempe­ raturbeständig ausbilden zu sollen, bei entsprechend so hin­ sichtlich seiner Härte heraufsetzbarem, erosionsbeständigem Werkstoff für den betreffenden Einlaufbelag, also insbeson­ dere für einen auf die Panzerschicht abgestimmt auszuwählen­ den keramischen oder metallkeramischen Einlaufbelagwerk­ stoff.

Gemäß Anspruch 7 kann die Panzerschicht vorteilhaft eine Nickel-Titan-Schicht sein.

Neben dem Einsatz bei Axial- oder Radialverdichtern von Gasturbinentriebwerken oder -strahltriebwerken eignet sich die Einrichtung vorteilhaft auch für den Einsatz bei anderen Strömungsmaschinen, die Radialverdichter oder kombinierte Axial-Radial-Verdichter aufweisen. In jedem Fall handelt es sich um eine Maßnahme, mit der im Langzeiteinsatz ein Lei­ stungsabfall infolge erodierter Gehäusebeläge bzw. vergrö­ ßerten Schaufelspitzenspiels vermieden werden soll.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Laufschaufelspitzenspaltoptimierung bei Axial- oder Radialverdichtern, insbesondere von Gasturbinentriebwerken, bei der Laufschaufeln eines Schaufelgitters an den äußersten Spitzen durch Aufbringen einer Panzerschicht deutlich härter als ein mit diesen zusammenwirkender harter und erosionsbe­ ständiger Einlaufbelag ausgebildet sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sämtliche Laufschaufeln (5) eine Panzerschicht (14′) aufweisen und diese gefügehomogen ausgebildet ist.

2. Laufschaufelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerschicht (14′) im Spitzenbereich geringfügig seitlich überkragend aufgebracht ist und stets im Strö­ mungsgrenzschichtbereich (G) der Schaufelspitzen liegt.

3. Laufschaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einlaufbelag und/oder die Panzerschicht im Wege eines chemischen oder elektro-chemischen Ab­ scheideverfahrens (Dispersion) erzeugt bzw. aufgebracht wird bzw. werden.

4. Laufschaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Panzerschicht aus einer harten, mit Kohlenstoff angereicherten, hoch-chromhaltigen Nickel- Chrom-Legierung wie 80 Cr₃C₂ 20 NiCr oder 75 Cr₃C₂ 25 NiCr als Spritzschicht besteht.

5. Laufschaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einlaufbelag aus einer hoch-nickel­ haltigen Nickel-Chrom-Legierung, wie 85 Ni 15 Cr, besteht.

6. Laufschaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Panzerschicht und/oder der Einlaufbelag aus unter Zusatz von Yttriumoxid partiell stabilisiertem Zirkonoxid, aus selbstgesintertem oder heißgepreßtem Siliciumkarbid oder aus Siliciumnitrid (heißgepreßt bzw. reaktionsgesintert bzw. selbstsinternd) gefertigt ist/sind.

7. Laufschaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Panzerschicht eine Nickel-Titan-Schicht ist.