DE102009060570A1

DE102009060570A1 - Verfahren zum Herstellen einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102009060570A1
Application number: DE102009060570A
Authority: DE
Inventors: Jan Oke Dr. 22339 Peters; Volker 23863 Tiedemann; Christian W. Dr. 22335 Siry; Dietmar 22457 Stunz
Original assignee: Lufthansa Technik AG
Current assignee: Lufthansa Technik AG
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2011076549A1; EP2516688A1; CN102985582A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht (21) auf die Dichtflächen (4) von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils (1) angeordneten Dichtsegmenten (3) einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Aufbringen der Keramikschicht (21) erfolgt, während sich die Dichtsegmente (3) im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil (1) befinden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht auf die Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordneten Dichtsegmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine.
Bei Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen wie beispielsweise Strahltriebwerken von Flugzeugen, vermindern Leckströme durch Spalte zwischen zusammenwirkenden und sich relativ zu einander bewegenden Rotor- und Statorbauteilen den Wirkungsgrad. Um diese Spaltverluste zu minimieren und damit den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine hoch zu halten, ist es erforderlich, den Spalt zwischen den üblicherweise hochtourig laufenden Rotorschaufeln und der dem Rotor umgebenden, zum Stator gehörenden Dichtfläche des Gehäuses im laufenden Betrieb der Maschine gering zu halten. Dies ist problematisch, da sich Rotorschaufeln bei hoher Belastung sowohl durch thermische Beanspruchung als auch durch Zentrifugalkräfte in Radialrichtung Längen, während das Gehäuse in der Regel nur eine geringe thermische Dehnung und damit Vergrößerung des Gehäuseumfangs erfährt. Das Spaltmaß ist also im Betrieb der Gasturbine veränderlich
Um diesen Spaltmaßveränderungen Rechnung zu tragen, sind sogenannte Einlaufdichtungen (abradable seals) bekannt ( US 4,299,865 ). Dabei werden die Schaufelspitzen des Rotors aus einem harten Material gefertigt bzw. mit einer harten Beschichtung versehen und die Einlaufdichtung des umgebenden Stators verhältnismäßig weich ausgebildet. In verschiedenen Betriebszuständen kann es dann zu einem Einlaufen der Schaufelspitzen in die Statordichtung kommen und ein Materialabtrag der Einlaufdichtung stattfinden, ohne dass eine Beschädigung der Schaufeln erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das ein einfaches und kostengünstiges Aufbringen einer Einlaufschicht (abradable seal) gestattet und sich insbesondere für eine Erneuerung bzw. einen Austausch einer Rotor-/Statordichtung im Zuge der Wartung oder Reparatur einer Gasturbine eignet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Aufbringen der Keramikschicht erfolgt, während sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befinden.
Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine, bei der die thermische Energie eines durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder anderen Treibstoffen entstehenden Heißgasstroms in mechanische Energie umgesetzt wird. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Strahl- oder Turboproptriebwerken von Flugzeugen.
Eine Rotor-/Statordichtung dichtet in einer Drehbewegung relativ zueinander laufende Bauteile der Gasturbine gegeneinander ab, insbesondere die Schaufelspitzen eines Rotors gegen den Umfang eines umgebenden Turbinengehäuses.
Der Begriff Turbinengehäuseteil bezeichnet im Kontext des Anspruch 1 denjenigen Teil der Turbine, der die den Rotor umgebende Statordichtung aufweist bzw. haltert. Es kann sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um ein Modul eines Strahltriebwerks handeln, in dem die Statordichtung angeordnet ist.
Am Innenumfang dieses Turbinengehäuseteils sind Dichtsegmente angeordnet. Der Begriff Dichtsegmente bezeichnet demontierbare bzw. einzeln austauschbare Teile, die jeweils einen Bruchteil des Innenumfangs des Turbinengehäuses auskleiden. Eine Mehrzahl von Dichtsegmenten erstreckt sich über den gesamten Umfang des Turbinengehäuseteils und bildet gemeinsam die Statordichtung.
Die Dichtsegmente weisen Dichtflächen auf, es handelt sich um diejenigen Flächen, die dem Rotor zugewandt sind. Auf diese Dichtflächen wird erfindungsgemäß eine Keramikschicht aufgebracht. Der Begriff Keramikschicht bezeichnet im Rahmen der Erfindung alle Materialien, die einen Anteil keramischer Materialien aufweisen und zur Ausbildung eines sogenannten abradable seals (Einlaufdichtung) geeignet sind. In aller Regel basieren diese Keramikschichten auf Materialien wir ZrO₂, Al₂O₃ und/oder anderen Metall-, Übergangsmetall- oder Seltenerdoxiden bzw. -mischoxiden.
Erfindungsgemäß erfolgt das Aufbringen der Keramikschicht, während sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befinden. Dies bedeutet, dass das Aufbringen der Keramikschicht erfolgt, während die Dichtsegmente im Einbauzustand, d. h. verbunden mit dem Turbinengehäuseteil, eine gemeinsame, sich über den gesamten Umfang des Turbinengehäuseteils erstreckende Dichtfläche bilden.
Dieses Beschichten im Einbauzustand hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen muss die Gasturbine bzw. das Strahltriebwerk nur bis zur Modulebene zerlegt werden, die aufwändige und damit kostenträchtige Zerlegung bis auf die Einzelteilebene entfällt. Zum anderen wird bei einer Beschichtung im Einbauzustand auf der Modulebene von vornherein eine einheitliche über den Umfang egalisierte Keramikschicht aufgetragen. Bei der im Stand der Technik üblichen Beschichtung der Einzelteile kommt es durch unvermeidbare Toleranzen im Zuge des nachgelagerten Einbaus der Dichtsegmente zu Unstetigkeiten an den Übergangs- bzw. Stoßstellen in Umfangsrichtung aneinander angrenzender Dichtsegmente, so dass in aller Regel eine Nachbearbeitung (beispielsweise Schleifen) zur Herstellung einer über den gesamten Umfang egalisierten Dichtfläche erforderlich ist. Im Stand der Technik müssen auf die einzelnen Dichtsegmente verhältnismäßig dicke Einlaufschichten aufgebracht werden, damit genügend Substanz für das nach dem Zusammenbau unvermeintliche Präzisionsschleifen vorhanden ist. Dies ist aufwändig und erhöht die Kosten. Zudem weisen die im Stand der Technik erforderlichen dickeren Keramikschichten eine Neigung zu Abplatzen von Material auf.
Alternativ kann im Stand der Technik vorgesehen sein, dass man die Ungenauigkeiten der Dichtfläche über den gesamten Umfang des Stators in Kauf nimmt und gepanzerte Rotorspitzen bei dem ersten Motorlauf in die Keramikschicht einschneiden lässt. Auch hier sind aber wieder verhältnismäßig dicke Keramikschichten erforderlich, die die beschriebene Neigung zum Abplatzen aufweisen.
Das Aufbringen der Keramikschicht erfolgt erfindungsgemäß besonders bevorzugt durch atmosphärisches Plasmaspritzen (atmospheric plasma spray, APS). Beim Plasmaspritzen wird ein Plasmastrahl verwendet, deren thermische Energie erzeugt wird durch die Rekombination eines vorher erzeugten Gasplasmas. In den Plasmastrahl wird das aufzutragende Material als Pulver gespeist. Beim atmosphärischen Plasmaspritzen erfolgt der Materialauftrag in normaler Umgebungsatmosphäre. Die Verwendung von atmosphärischen Plasmaspritzen als Verfahren zum Aufbringen der Keramikschicht hat den besonderen Vorteil, dass die in der Regel recht großen Turbinengehäuseteile nicht in eine kontrollierte Atmosphäre wie beispielsweise eine Unterdruckkammer überführt werden müssen. Die beim atmosphärischen Plasmaspritzen erzielbare Qualität der Keramikschicht ist für die erfindungsgemäßen Zwecke ohne weiteres hinreichend.
Das bereits mehrfach genannte Turbinengehäuseteil kann erfindungsgemäß beispielsweise ein sogenanntes High Pressure Turbine Shroud Support (HPT Shroud Support) eines Strahltriebwerks sein. Die erfindungsgemäß möglich gute Dichtwirkung bzw. die Erzielung eines geringen Dichtspaltes kann sich insbesondere bei der Hochdruckturbine in einem verbesserten Wirkungsgrad und damit einer Treibstoffeinsparung bemerkbar machen. Die erfindungsgemäß aufgebrachte Keramikschicht weist vorzugsweise eine Porosität von 10 bis 40 Vol.-%, weiter vorzugsweise 20 bis 30 Vol.-% auf. Eine solche Porosität trägt dazu bei, die Keramikschicht hinreichend weich zu gestalten und ihr sogenannte Einlaufeigenschaften zu verleihen. Gerät die Schaufelspitze des Rotors mit einer solchen Keramikschicht in Kontakt, soll die Werkstoff- bzw. Reibpaarung derart gestaltet sein, dass ausschließlich oder vorwiegend die Keramikschichtdichtfläche abgetragen wird und kein oder nur ein geringer Verschleiß an der Schaufelspitze auftritt.
Zur Erzielung der Porosität ist es bevorzugt, dass das aufgebrachte Keramikmaterial im Zeitpunkt des Aufbringens einen Anteil eines thermisch entfernbaren Stoffes enthält. Dabei kann es sich insbesondere um ein Polymer wie beispielsweise ein Polyester handeln. Thermisch entfernbar bedeutet, dass der Stoff bei Zufuhr thermischer Energie weitgehend oder vollständig rückstandsfrei aus der Keramikschicht entweicht und dabei Hohlräume in Form von Poren hinterlässt. Das Entfernen kann geschehen durch Verdampfen, Sublimation oder thermische Zersetzung bzw. Verbrennung unter Entweichen gasförmiger Zersetzungsprodukte.
Das Keramikmaterial der Keramikschicht basiert beispielsweise auf ZrO₂ (Zirkondioxid), es kann dotiert sein mit Seltenerdmetalloxiden wie beispielsweise Y₂O₃ oder anderen. Geeignete aufsprühbare Keramikpulver können beispielsweise auf YSZ (Yttria stabilized Zirconia) basieren und 3 bis 9 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 6 Gew.-% Polyester zur Herstellung der gewünschten Porosität enthalten. Ein geeignetes Pulver ist beispielsweise von Sulzer Metco unter der Bezeichnung Metco 2460 NS erhältlich.
Die Dicke der aufgebrachten Keramikschicht kann erfindungsgemäß zwischen 0,1 und 0,7 mm, weiter vorzugsweise 0,1 und 0,5 mm liegen. Häufig werden Schichten im Bereich 0,2 bis 0,4 oder 0,2 bis 0,3 mm aufgebracht.
Es ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass vor dem Aufbringen der Keramikschicht eine Haftvermittlerschicht auf das Substrat der Dichtsegmente aufgebracht wird. Die Dicke der Haftvermittlerschicht beträgt bevorzugt 0,1 mm oder weniger. Bei der Haftvermittlerschicht handelt es sich bevorzugt um eine MCrAlY-Schicht, bei der M bevorzugt ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Nickel, Kobalt, Eisen oder Kombinationen daraus ist. Andere Elemente wie beispielsweise Hafnium oder Silizium als sogenannte reactive element additions können hinzugefügt werden, um die Oxidationsbeständigkeit und Lebensdauer der Haftvermittlerschicht (Bond Coat) zu erhöhen. Die Haftvermittlerschicht wird bevorzugt ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgebracht. Ggf. kann Vakuumplasmaspritzen (low vacuum plasma spray, LVPS) verwendet werden, bevorzugt ist jedoch das bereits beschriebene atmosphärische Plasmaspritzen. Ein geeignetes Material für die Haftvermittlerschicht ist beispielsweise ein ebenfalls von Sulzer Metco erhältliches feinkörniges Pulver auf CONiCrALY Basis wie beispielsweise Amdry 365-2.
In den Dichtflächen von Dichtsegmenten einer Hochdruckturbine (sogenannten HPT Shrouds) sind häufig Kühlluftbohrungen vorhanden, um die thermische Belastung der HPT Shrouds zu verringern. Es kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, diese Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der Keramikschicht sowie etwaiger Haftvermittlerschichten oder sonstiger Schichten zu verschließen, um zu verhindern, dass die Kühlluftbohrungen verschlossen oder im Querschnitt unzulässig verkleinert werden. Gemäß einer Variante der Erfindung werden solche Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der Keramikschicht (und bevorzugt auch vor dem Aufbringen einer Haftvermittlerschicht oder sonstiger etwaiger Zwischenschichten) mit einem thermisch entfernbaren Material temporär verschlossen. „Thermisch entfernbar” bedeutet, dass dieses Material im Anschluss an das Aufbringen der Keramikschicht und etwaiger Nachbearbeitungen wie beispielsweise Schleifen oder dergleichen entfernt werden kann durch eine Wärmebehandlung oder bei einem ersten Turbinenlauf durch die dann auftretende Wärmebelastung entfernt wird. Die thermische Entfernung kann insbesondere durch Verdampfen, Sublimation oder thermische Zersetzung zu vorzugsweise gasförmigen Zersetzungsprodukten erfolgen. Sie erfolgt bevorzugt vollständig oder weitgehend rückstandsfrei.
Bevorzugte thermisch entfernbare Materialien sind Polymere bzw. Kunststoffe. Bevorzugt ist es, dass die Kühlluftbohrungen verschlossen werden mit einem noch nicht ausgehärteten Gemisch von Monomeren, Oligomeren und/oder Präpolymeren, die anschließend zur Aushärtung gebracht werden. Die Aushärtung kann erfindungsgemäß durch Wärme oder bevorzugt durch Licht oder UV-Strahlung induziert werden. Bevorzugt werden UV- oder lichthärtende Kunststoffe verwendet, weiter bevorzugt Acrylate und/oder Methacrylate. Beispielsweise kann es sich um Epoxyacrylate, Urethanacrylate, Polyesteracrylate, Polyetheracrylate und Silikonacrylate handeln. Entsprechende lichthärtende Kunststoffe sind dem Fachmann geläufig. Die Viskosität und Beschaffenheit des zum Verschluss der Kühlluftbohrungen noch nicht ausgehärteten Gemischs ist bevorzugt der Gestalt, dass eine sichere Applikation eines viskosen Gels möglich ist und dieses vor dem Aushärten nicht oder nur in noch hinnehmbarer Weise wegfließt. Geeignete Kunststoffe bzw. Klebstoffe sind beispielsweise erhältlich von der Firma Dymax Europe GmbH, Frankfurt.
Das erfindungsgemäße Verschließen von Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der Keramikschicht vermeidet ein im Stand der Technik häufig notwendiges aufwendiges Aufbohren von Kühlluftöffnungen nach Aufbringen einer Keramikschicht. Bei diesem Verschließen der Kühlluftbohrungen handelt es sich um einen besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung, für den die Anmelderin ggf. auch Schutz beansprucht im Kontext der Beschichtung eines einzelnen, ausgebauten Dichtsegments, das sich somit nicht mehr im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befindet.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Reparatur von Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordneten Dichtsegmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, mit den Schritten:

a) zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils, wobei sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in denn Turbinengehäuseteil befinden,
b) Abtragen von Material von den Dichtflächen der Dichtsegmente,
c) Aufbringen einer Keramikschicht mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reparatur einer Gasturbine, die wenigstens einen Rotor und am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordnete Dichtsegmente einer Rotor/Statordichtung aufweist, wobei im Neuzustand der Gasturbine ein Dichtspalt zwischen den Rotorflügelspitzen und den Dichtflächen der Dichtsegmente vorgesehen ist, mit den Schritten:

a) Demontieren der Gasturbine und zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils, wobei sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil befinden,
b) Abtragen von Material von den Dichtflächen der Dichtsegmente,
c) Aufbringen einer Keramikschicht mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, so dass ein Dichtspalt entsteht, der kleiner ist als der Dichtspalt im Neuzustand.

Gemäß diesen beiden Aspekten der Erfindung steht im Vordergrund ein Reparaturverfahren, bei dem eine gezielte Neuherstellung der Dichtflächen erfolgt. Gemeinsam ist den Reparaturverfahren der Ansprüche 13 und 14, das die Reparatur erfolgt auf der Ebene des Turbinengehäusemoduls ohne weitere Zerlegung in die Einzelteile, also insbesondere mit den Dichtsegmenten im Einbauzustand. Ferner wird erfindungsgemäß von den Dichtflächen der Dichtsegmente Material abgetragen, so dass Platz geschaffen wird für das Neuaufbringen einer Keramikschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die reparierten Turbinengehäuseteile bzw. Gasturbinen vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine metallische Dichtfläche auf, also weder eine erfindungsgemäß aufgebrachte noch andersartige keramische Dichtfläche. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung (Merkmal c) des Anspruchs 14) wird bei einer erfindungsgemäß durchgeführten Reparatur ein Dichtspalt hergestellt, der kleiner ist als der Dichtspalt im Neuzustand der Gasturbine. Es handelt sich hier somit um ein Verfahren, mit dessen Hilfe der Wirkungsgrad einer Gasturbine erhöht werden kann. Dies ist ein besonders wichtiger Aspekt der Erfindung im Rahmen der sogenannten Green Aviation, bei der der Treibstoffverbrauch und CO₂-Ausstoß von Flugzeugtriebwerken verringert werden soll. Dieser Aspekt der Erfindung soll nachfolgend noch näher erläutert werden.
Die erfindungsgemäßen Reparaturverfahren sind verwendbar bei Gasturbinen, die im Neuzustand eine keramische Dichtfläche besitzen und bei denen es vorgesehen ist, dass die Blattspitzen des Rotors in bestimmten Betriebszuständen in diese Dichtflächen einlaufen und einen Materialabtrag verursachen. Bei Verwendung keramischer Dichtflächen werden im Stand der Technik die Blattspitzen der Turbinenschaufeln häufig mit einer Panzerung bzw. auf der Basis von kubischen Bohrnitrid (CBN) versehen. Bei Verwendung einer erfindungsgemäß aufgebrachten Keramikschicht ist eine solche Panzerung nicht zwingend erforderlich.
Es gibt ebenfalls Strahltriebwerke für Flugzeuge (beispielsweise General Electric CFM56 und CF6-80), die metallische Dichtflächen aufweisen. Bei diesen Motoren soll durch eine genaue Kontrolle von Geometrie und Fertigungs- sowie Montagetoleranzen vermieden werden, dass beim erstmaligen Einlaufen oder später im Betrieb die Rotorspitzen mit den metallischen Dichtflächen in Kontakt geraten. Um ein hier unerwünschtes Einlaufen sicher bei allen Betriebszuständen zu vermindern, ist häufig ein verhältnismäßig großer Dichtspalt erforderlich, durch den sich der Wirkungsgrad des Triebwerks vermindert.
Erfindungsgemäß kann auch bei solchen Gasturbinen mit metallischen Dichtflächen eine Keramikschicht auf die Dichtfläche gemäß dem Reparaturverfahren des Anspruchs 14 aufgebracht werden. Bei diesem Verfahren wird die metallische Dichtfläche ganz oder teilweise abgetragen, so dass auf dem Innenumfang des entsprechenden Turbinengehäuseteils Platz zur Verfügung steht für das erfindungsgemäße Aufbringen einer keramischen Dichtfläche. Diese kann so konzipiert und aufgetragen werden, dass nach der Wiedermontage der Gasturbine der Dichtspalt geringer ist als im Neuzustand mit metallischer Dichtfläche. Die Verkleinerung des Dichtspalts ist möglich, da bei der erfindungsgemäß aufgebrachten keramischen Dichtfläche ein Einlaufen der Blattspitzen in die Dichtfläche toleriert werden kann. Wenn ein solches Einlaufen stattfindet, wird aufgrund der Materialpaarung der einlaufenden Blattspitze in die weiche Keramikschicht lediglich diese Keramikschicht abgetragen. Kommt es bei einer metallischen Dichtfläche in ungünstigen Betriebszuständen zu einem nicht vorgesehenen Einlaufen der Blattspitze in die metallische Dichtfläche, kann es zu einem Materialabtrag auch auf den Blattspitzen der Rotoren kommen, so dass sich der Dichtspalt weiter vergrößert und auch durch eine Wiederherstellung der Dichtfläche nicht wieder auf das ursprünglich vorgesehene Maß gebracht werden kann.
Die Verwendung des atmosphärischen Plasmaspritzens bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den weiteren Vorteil einer verhältnismäßig geringen Prozesstemperatur. Da der Plasmastrahl nur verhältnismäßig wenig thermische Energie auf die zu beschichtenden Dichtsegmente überträgt, wird ein möglicher Verzug der zusammengesetzten Bauteile vermieden. Wie nachfolgend im Ausführungsbeispiel noch erläutert, kann man während des Beschichtens das Modul mit den eingebauten Dichtsegmenten rotieren lassen, so dass die Einwirkzeit des Plasmastrahls auf ein einzelnes Dichtsegment verhältnismäßig gering ist und das entsprechende Segment während der weiteren Rotation des Moduls abkühlen kann, bevor es wieder in Kontakt mit dem Plasmastrahl kommt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
1: einen Querschnitt durch eine Gasturbinensektion;
2: eine Aufsicht auf das Turbinengehäuse;
3: das Zusammenwirken von Turbinenschaufel und Dichtfläche im Betrieb;
4: schematisch die Bearbeitungsschritte bei der Durchführung einer erfindungsgemäßen Reparatur;
5: schematisch das Vorgehen bei einem Materialabtrag von den Dichtflächen im Zuge der Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6: schematisch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren;
7: die erfindungsgemäß mögliche Verkleinerung des Dichtspaltes;
8: das Verhalten einer erfindungsgemäß aufgebauten Rotor-/Statordichtung im Betrieb.
2 zeigt in der Aufsicht ein Turbinengehäuse 1, an dessen Innenumfang Aufnahmesegmente 2 für die Dichtsegmente 3 angeordnet sind. Die über den Umfang des Turbinengehäuses 1 aneinander anstoßenden Dichtsegmente 3 weisen an ihren radial nach innen weisenden Umfangsflächen Dichtflächen 4 auf.
In 1 zeigt die Bezugsziffer 5 schematisch die Rotationssymmetrieachse der Gasturbine. An der Rotorscheibe 6 sind über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Turbinenlaufschaufeln 7 (Rotorschaufel oder Rotorblätter) angeordnet. Die radial nach außen weisenden Spitzen der Turbinenschaufel 7 dichten gegen die Dichtflächen 4 der Dichtsegmente 3 ab und schließen mit diesen einen Dichtspalt 8 ein, der sich aus der Differenz des Stator-Radius 9 und des Rotor-Radius 10 errechnet. Der Pfeil 11 bezeichnet die Richtung des durch die Gasturbine strömenden Gasstroms.
3a zeigt den auch in 1 dargestellten Ausgangszustand. Das Dichtsegment 3 weist bei dieser Ausführungsform eine metallische Dichtfläche auf. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet Kühlluftbohrungen in dem Dichtsegment 3.
Im Betrieb des Triebwerks kann es aufgrund thermischer Ausdehnungen und/oder einer in 3b bei 12 schematisch dargestellten Rotor-Exzentrizität zu einem Einlaufen der Turbinenschaufel 7 in die Dichtfläche des Dichtsegments 3 kommen. Durch das Einlaufen entsteht im Dichtsegment 3 eine in 3c schematisch dargestellte Einlaufkerbe 14 und die Schaufellänge 15 wird durch Materialabtrag an der Spitze der Turbinenschaufel 7 verringert. Es entsteht ein vergrößerter Dichtspalt 8a; der Wirkungsgrad des Triebwerks verringert sich.
4 zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens. 4a zeigt den Ausgangszustand eines Dichtsegmentes 3 vor der Reparatur, bei dem in der Regel ein gewisser Abtrag der Dichtfläche 4 stattgefunden hat, ggf. kann auch eine in der 4a nicht dargestellte Einlaufkerbe (siehe Bezugsziffer 14 in 3c) vorhanden sein.
Der gesamte in 4 dargestellte Reparaturvorgang findet statt im Einbauzustand der Dichtsegmente im Turbinengehäuse 1, wie er in 2 dargestellt ist. In 4 ist der Klarheit halber jeweils nur ein einzelnes Dichtsegment dargestellt.
5 zeigt schematisch ein Abtragen von Material von den Dichtflächen 4 der Dichtsegmente 3. Ein Schleifwerkzeug 15 wird zu diesem Zweck gegen die Dichtflächen 4 rotieren gelassen. Statt Schleifen können andere Abtragverfahren wie beispielsweise Fräsen oder Erodieren verwendet werden. Das Ergebnis des Materialabtrags ist schematisch in 4b dargestellt.
Anschließend erfolgt eine Reinigung der zu beschichtenden Dichtflächen 4. Vorzugsweise umfasst die Reinigung eine Entfettung, ein Spülen mit VE-Wasser und eine Trocknung beispielsweise bei 120°C, ggf. unter vermindertem Luftdruck.
Zur Vorbereitung der Plasmabeschichtung wird ein sogenanntes Aktivierungsstrahlen durchgeführt. Zu diesem Zweck wird Al₂O₃-Strahlgut der Körnung Mesh 36 verwendet. Folgende Strahlparameter eignen sich für das Aktivierungsstrahlen:
Rotationsgeschwindigkeit 15 min^–1, zwei vertikale Hübe, Strahldruck 1,6 bar, Abstand der Düse 200 mm, Strahlwinkel 45°. Es soll dabei vermieden werden, dass Strahlgut in die Kühlluftbohrungen 13 gelangt.
Die aufgebrachte Aktivierungsschicht ist in 4c bei 16 schematisch dargestellt.
Sofern eine Keramikschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 0,2 oder 0,3 mm aufgebracht werden soll, wird in der Regel ein temporäres Verschließen der Kühlluftkanäle 13 sinnvoll sein. Zu diesem Zweck wird ein lichthärtbarer Kunststoff auf PU-Basis entweder punktförmig mittels einer Pipette oder einem vergleichbaren Auftraginstrument oder aber mit Hilfe formgebender Maskierungshilfen wie z. B. Folien mit entsprechenden Ausschnitten, die sich im wesentlichen mit den Kühlluftöffnungen decken, auf die Öffnung jeder Kühlluftbohrung 13 aufgebracht. Anschließend wird der Kunststoff mittels Licht, UV-Strahlung und/oder Wärme ausgehärtet. Man erhält in 4d schematisch dargestellte Kunststoffpfropfen 17, die die Kühlluftkanäle 13 verschließen.
Im nächsten Schritt wird eine in 4e schematisch dargestellte Haftvermittlerschicht 18 aufgebracht. Zu diesem Zweck wird ein feinkörniges Pulver auf CoNiCrALY-Basis (Amdry 365-2) durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht. 6 zeigt schematisch, wie eine Beschichtungseinheit 19 mit einem Plasmastrahl 20 durch Relativbewegung gegenüber dem Turbinengehäuse 1 den gesamten Umfang der Dichtflächen 4 der Dichtsegmente 3 beschichten kann. Folgende Beschichtungsparameter werden verwendet:
1 Hub, 3,6% vertikale Geschwindigkeit des Roboters, Rotationsgeschwindigkeit 27 min^–1. Die Dicke der so aufgebrachten Haftvermittlerschicht beträgt vorzugsweise 0,03 bis 0,05 mm.
Fakultativ kann auf die Haftvermittlerschicht eine erosionsfeste Keramikzwischenschicht unter Verwendung eines Keramikpulvers wie z. B. Praxair 1484 aufgebracht werden.
Anschließend wird die erfindungsgemäße weiche Keramikschicht (Einlaufschicht) mit der Beschichtungseinheit 19 aufgetragen. Die Schicht ist schematisch bei 21 in 4f dargestellt.
Als Beschichtungsmaterial wird Metco 2460 NS verwendet. Folgende Beschichtungsparameter werden verwendet:
2 mm Einzeleinspritzdüse, 9 Hübe, 1,8% vertikale Geschwindigkeit des Roboters, Rotationsgeschwindigkeit 33 min^–1, Spritzwinkel 90°. Die Keramikschicht 21 wird in der Regel in einer Dicke von 0,2 bis 0,7 mm aufgebracht.
Im nächsten Schritt werden die Dichtflächen 4 der Dichtsegmente 3 auf den gewünschten Statorradius abgeschliffen. Möglicherweise durch die Kunststoffpfropfen 17 bewirkte Unebenheiten der Dichtfläche 4 wie beispielsweise Materialhöcker werden dabei abgetragen. Nach dem Abschleifen ragen die Kunststoffpfropfen 17 bis zur Dichtfläche 4 vor, wie schematisch in 4g dargestellt.
Die Kunststoffpfropfen 17 werden entweder durch eine separate Wärmebehandlung oder bei erstmaliger Inbetriebnahme des Triebwerks thermisch zersetzt und im wesentlichen rückstandsfrei aus den Kühlluftbohrungen 13 entfernt. Der so hergestellte betriebsfertige Zustand ist schematisch in 4h dargestellt.
7 zeigt die erfindungsgemäß mögliche Verkleinerung eines Dichtspaltes und damit die Erhöhung des Wirkungsgrades eines Strahltriebwerks im Rahmen der sogenannten Green/aviation. 7a zeigt den Ursprungszustand, in dem die Turbinenschaufeln 7 gegen eine metallische Dichtfläche 4 der Dichtsegmente 3 laufen. Es ist ein verhältnismäßig großer Dichtspalt 8 erforderlich, durch den Leckströme und Wirkungsgradverluste auftreten.
7b zeigt den Zustand nach Aufbringen einer porösen Keramikschicht 21 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch ihre Porosität von etwa 30 Vol.-% ist diese Schicht verhältnismäßig weich. Der Dichtspalt 8b kann hier gegenüber dem Ausgangszustand verkleinert werden. Beispielsweise kann der Dichtspalt 8 in der Größenordnung 0,5 bis 2 mm liegen, der Betrag des verkleinerten Dichtspaltes 8b kann 0,1 bis 0,4, vorzugsweise 0,1 bis 0,3, weiter vorzugsweise 0,1 bis 0,2 mm geringer sein. Eine Dichtspaltreduzierung um 0,2 mm in der Hochdruckturbine eines Triebwerks kann beispielsweise den Treibstoffverbrauch und damit den CO₂-Ausstoß um ca. 0,3% senken.
8 zeigt schematisch ein im Betrieb des Triebwerkes mögliches Einlaufen von Turbinenschaufeln 7 in die Dichtfläche 4 eines Dichtsegments 3. Es entsteht hier wieder eine in 8b schematisch mit 14 bezeichnete Einlaufkerbe. Da diese Einlaufkerbe in der weichen Keramikschicht 21 entsteht, kommt es zu keinem oder nur einem sehr geringen Materialabtrag an der Spitze der Turbinenschaufel 7, so dass deren radiale Länge 15 im wesentlichen unverändert bleibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4299865 [0003]

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht (21) auf die Dichtflächen (4) von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils (1) angeordneten Dichtsegmenten (3) einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Keramikschicht (21) erfolgt, während sich die Dichtsegmente (3) im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil (1) befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Keramikschicht (21) durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (21) eine Porosität von 10 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 20 bis 30 Vol.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität durch einen Anteil eines thermisch entfernbaren Stoffes in dem aufgebrachten Keramikmaterial bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch entfernbare Stoff ein Polymer, vorzugsweise ein Polyester ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Keramikschicht ZrO₂ enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aufgebrachten Keramikschicht (21) 0,1 bis 0,7 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Keramikschicht eine Haftvermittlerschicht (18) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (18) ein Material auf CoNiCrAlY-Basis aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Haftvermittlerschicht (18) 0,1 mm oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen von Haftvermittlerschicht (18) und/oder Keramikschicht (21) in den Dichtflächen (4) vorhandene Kühlluftbohrungen (13) mit einem thermisch entfernbaren Material (17) verschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch entfernbare Material (17) ein Kunststoff, vorzugsweise ein UV- oder lichthärtbarer Kunststoff, weiter vorzugsweise ein Acrylat- und/oder Methacrylatkunststoff, weiter vorzugsweise ein Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxyacrylaten, Urethanacrylaten, Polyesteracrylaten, Polyetheracrylaten und Silikonacrylaten.
Verfahren zur Reparatur von Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordneten Dichtsegmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, mit den Schritten: a) zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils (1), wobei sich die Dichtsegmente (3) im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil (1) befinden, b) Abtragen von Material von den Dichtflächen (4) der Dichtsegmente (3), c) Aufbringen einer Keramikschicht (21) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zur Reparatur einer Gasturbine, die wenigstens einen Rotor (6, 7) und am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils (1) angeordnete Dichtsegmente (3) einer Rotor/Statordichtung aufweist, wobei im Neuzustand der Gasturbine ein Dichtspalt (8) zwischen den Rotorschaufelspitzen und den Dichtflächen (4) der Dichtsegmente (3) vorgesehen ist, mit den Schritten: a) Demontieren der Gasturbine und zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils (1), wobei sich die Dichtsegmente (3) im Einbauzustand in dem Turbinengehäuseteil (1) befinden, b) Abtragen von Material von den Dichtflächen (4) der Dichtsegmente (3), c) Aufbringen einer Keramikschicht (21) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, so dass ein Dichtspalt (8b) entsteht, der kleiner ist als der Dichtspalt (8) im Neuzustand.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsegmente (3) des in Schritt a) zur Verfügung gestellten Turbinengehäuseteils (1) metallische Dichtflächen (4) aufweisen.