DE19824583A1

DE19824583A1 - Turbine blade with tip capable of repetitive cutting of sealing grooves at high temperatures and in oxidizing atmospheres

Info

Publication number: DE19824583A1
Application number: DE19824583A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Bosmann; Hans Joachim Schmutzler; Marianne Sommer; Guenter Beck; Karl Reis
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-12-09

Abstract

The tip (2) of the turbine blade (1) is provided at least in certain regions with an abrasive coating (3) consisting of a ceramic or a ceramic composite.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a turbine blade according to the preamble of Claim 1.

Turbinenschaufeln in Form von Turbinenlauf- und Turbinenleitschaufeln sind für den Antrieb von Turbinen vorgesehen, und werden hierfür vorzugsweise mit einem gas förmigen Medium beaufschlagt. Jede Turbinenlaufschaufel ist mit einem Ende mit dem Laufrad einer Turbine verbunden, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wel ches die Turbine umgibt. Das zweite, die Blattspitze bildende Ende der Turbinenlauf schaufel wird mit seiner dem Gehäuse zugewandten Kante so dicht an der In nenfläche desselben vorbeigeführt, daß zumindest diese Kante und die unmittelbar angrenzenden Flächen der Turbinenlaufschaufel in die Innenfläche des Gehäuses einschneiden können. Durch einen solchen Schnitt in die Innenfläche wird eine Rille gebildet, in welcher sich die Kante der Turbinenschaufel beim Drehen des Laufrads bewegt. Hiermit wird ein Dichtungssystem ausgebildet, das sicherstellt, daß nur wenig Rauchgas zwischen der Innenfläche des Gehäuses und den Blattspitzen der Turbi nenschaufeln entlang strömen kann. Turbinenleitschaufeln sind am Gehäuse befe stigt. Ihre Blattspitzen erzeugen Rillen am Rotor. Diese Rillen haben die gleiche Funktion wie die oben erwähnten Rillen, die von den Blattspitzen der Turbinenlaufschaufeln in das Gehäuse geschnitten werden.Turbine blades in the form of turbine blades and turbine guide vanes are for the Propulsion of turbines is provided, and are preferably done with a gas shaped medium. Each turbine blade has one end connected to the impeller of a turbine, which is arranged in a housing, wel ches surrounds the turbine. The second end of the turbine barrel, which forms the tip of the blade With its edge facing the housing, the blade is so close to the In nenfläche the same passed that at least this edge and the immediate adjacent surfaces of the turbine blade in the inner surface of the housing can cut. Such a cut in the inner surface creates a groove formed in which the edge of the turbine blade when turning the impeller emotional. This creates a sealing system that ensures that little Flue gas between the inner surface of the housing and the blade tips of the turbos blades can flow along. Turbine guide vanes are on the housing increases. Their blade tips create grooves on the rotor. These grooves have the same Function like the grooves mentioned above, from the blade tips of the Turbine blades are cut into the housing.

Damit jede Turbinenschaufel gleichgültig, ob sie als Leit- oder Laufschaufel genutzt wird, mit ihrer Blattspitze einen solchen Einschnitt in die Innenfläche des Gehäuses bzw. den Rotor ausführen kann, sind die Blattspitzen der nachfolgend nur noch als Turbinenschaufeln bezeichneten Bauelemente mit einer Beschichtung versehen. Die bis jetzt verwendeten Beschichtungen bestehen aus Teilchen, die aus einem sehr harten Werkstoff gefertigt und in eine metallische Matrix eingebettet sind. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß hierfür eine metallische Matrix auf der Basis von Nickel verwendet wird, die Einlagerungen aus Bornitrid aufweist. Zwischen den Teilchen und der Matrix besteht bei Betriebstemperatur eine bis jetzt nicht überwind bare Unverträglichkeit hinsichtlich der chemischen Stabilität, die zum Verlust der Schneidwirkung führt, so daß das gasförmige Medium ohne Nutzung der Expansi onsarbeit entweichen kann. Die variablen Betriebsbedingungen führen zu variablen, radialen und axialen Ausdehnungen der Komponenten, so daß ein Einfachschnitt zur Ausbildung nur einer Rille nicht ausreicht. Neben der chemischen Instabilität der Ma trix führt die geringe Oxidationsbeständigkeit der Partikel zum Verlust der Schneid wirkung.So that every turbine blade does not matter whether it is used as a guide or rotor blade is, with their blade tip such an incision in the inner surface of the housing or can execute the rotor, the blade tips are the following only as Turbine blades designated components with a coating. The Coatings used until now consist of particles made up of a very hard material and are embedded in a metallic matrix. From the It is known in the prior art that a metallic matrix based on Nickel is used, which has deposits of boron nitride. Between Particles and the matrix have not yet been overcome at operating temperature intolerable intolerance to chemical stability leading to loss of Cutting effect, so that the gaseous medium without using the Expansi ons work can escape. The variable operating conditions lead to variable, radial and axial dimensions of the components, so that a single cut for Training only one groove is not enough. In addition to the chemical instability of the Ma trix's low oxidation resistance leads to loss of cutting effect.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel aufzuzeigen, deren Blattspitze so ausgebildet ist, daß sie auch in oxidierenden Atmosphären und bei Temperaturen größer 900°C in der Lage ist, die Innenschicht des Gehäuses oder den Rotor mehrfach zu schneiden.The invention has for its object to show a turbine blade, the Leaf tip is designed so that it also in oxidizing atmospheres and at Temperatures greater than 900 ° C are capable of covering the inner layer of the housing or the To cut the rotor several times.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of patent claim 1.

Erfindungsgemäß wird eine Turbinenschaufel verwendet, die aus einer Nickelbasis legierung gefertigt ist. Diese ist an ihrer Blattspitze mindestens bereichsweise mit ei ner abrasiven Beschichtung versehen. Diese Beschichtung wird aus einem kerami schen Werkstoff oder einem keramischen Verbundwerkstoff gefertigt. Vorzugsweise wird dafür stabilisiertes Zirkonoxid verwendet. Für die Stabilisierung können bei spielsweise Cer oder Yttrium verwendet werden. Die Beschichtung wird auf der in radialer Richtung nach außen weisenden, senkrecht zur Längsachse der Blattspitze verlaufenden Kante mittig aufgebracht. Sie weist eine stegartige Form auf. Erfin dungsgemäß kann die Beschichtung vorgefertigt werden. Hierfür werden zunächst mehrere stegförmige Bauelemente hergestellt. Diese werden dann zu der Beschich tung zusammengefügt und mit der Blattspitze verbunden. Die Beschichtung läßt sich jedoch auch als einteiliges Bauelement vorfertigen. Zur Befestigung der Beschichtung wird diese beispielsweise auf die Kante aufgelötet. Die Beschichtung kann auch mit einem Fuß versehen werden, der in die Oberfläche der Kante eingebettet wird. According to the invention, a turbine blade is used which is made of a nickel base alloy is made. At its tip, this is at least partially with egg provided with an abrasive coating. This coating is made from a kerami or a ceramic composite. Preferably Stabilized zirconium oxide is used for this. For stabilization you can use for example cerium or yttrium can be used. The coating is on the in pointing radially outwards, perpendicular to the longitudinal axis of the blade tip running edge applied in the middle. It has a web-like shape. Erfin The coating can be prefabricated accordingly. For this, first of all manufactured several web-shaped components. These then become the Beschich tion joined together and connected to the tip of the leaf. The coating can be but also prefabricated as a one-piece component. For fastening the coating it is soldered onto the edge, for example. The coating can also be used be provided with a foot that is embedded in the surface of the edge.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen offen bart.Further features essential to the invention are open in the dependent claims beard.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er läutert.The invention is based on schematic drawings he he purifies.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 die Beschichtung der Blattspitze einer Turbinenschaufel in Draufsicht, Fig. 1, the coating of the blade tip of a turbine blade in a plan view,

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Beschichtung im Schnitt, Fig. 2, the coating illustrated in FIG. 1 in section,

Fig. 3 eine Variante der Beschichtung, Fig. 3 shows a variant of the coating,

Fig. 4 eine weitere Variante der Beschichtung. Fig. 4 shows another variant of the coating.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Turbinenschaufel 1 im Bereich der Blattspitze 2. Die Blattspitze 2 bildet das freie Ende der Turbinenschaufel 1. Bei dem hier dar gestellten Ausführungsbeispiel ist die gesamte Turbinenschaufel 1 ist aus einer Nickelbasislegierung gefertigt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Blattspitze 2 auf ihrer in radialer Richtung nach außen weisenden und senkrecht zur Längsachse verlaufenden Kante 2K mit einer Beschichtung 3 versehen. Diese Be schichtung 3 wird aus stabilisiertem Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Mullit, Aluminosilikat, Siliziumkarbid oder -nitrid bzw. einem hochtemperaturbeständigen Silizid gefertigt. Die Stabilisierung des Zirkonoxids kann beispielsweise mit Hilfe von Yttrium oder Cer erfolgen. Die Beschichtung 3 ist stegförmig ausgebildet und überagt die Kante 2K nach außen. Die Beschichtung 3 ist senkrecht zur Längsachse der Blattspitze 2 aus gerichtet. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Be schichtung 3 gemäß der Linie A-A' in Fig. 1. Wie den Fig. 2, 3 und 4 zu entnehmen ist, weist die Beschichtung 3 vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf. Der Querschnitt kann jedoch auch rechteckig ausgebildet werden (hier nicht dargestellt). Die Beschichtung 3 ist mittig auf der nach außen gerichteten Kante 2K angeordnet. Sie wird geringfügig kurzer als Kante 2K ausgebildet. Die Breite der Beschichtung 3 ist so bemessen, daß sie etwa der geringsten Breite des Querschnitts der Blattspitze 2 entspricht. Erfindungsgemäß kann die Beschichtung 3 vorgefertigt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, wie Fig. 1 zeigt, zunächst mehrere Bauelemente 3B zu ferti gen, diese dann zu der Beschichtung 3 zusammenzufügen und mit der Blattspitze 2 zu verbinden. Die Beschichtung 3 läßt sich jedoch auch als einteiliges Bauelement vorfertigen. Die Beschichtung 3 kann für die Verbindung mit der Kante 2K auf diese aufgelötet werden, wie das bei der in Fig. 2 gezeigten Beschichtung 3 der Fall ist. An dererseits kann die Beschichtung 3 auch mit einem Fuß 3F versehen werden, wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Der Fuß 3F erstreckt sich über die gesamte Länge der Beschichtung 3 und bildet mit der einteilig ausgebildeten Beschichtung 3 eine Einheit. Die Breite des Fußes 3F kann, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, den Gegebenheiten entsprechend ausgebildet werden. Bei Herstellung der Beschichtung 3 aus mehreren Bauelementen 3B wird jedes dieser Bauelemente 3B in entsprechender Weise mit einem solchen Fuß 3F vorsehen, dessen Länge dann an die jeweilige Länge des zugehörigen Bauelements 3B angepaßt ist. Für die Verbindung der Beschichtung 3 mit der Kante 2K wird der Fuß 3F in die Oberfläche der Kante 2K eingebettet. Verfahren mit dem Bauelemente aus einer Keramik mit Bauelementen aus einer Nickelbasislegierung verbunden werden können, gehören seit langem zum Stand der Technik und werden deshalb hier nicht näher beschrieben. Fig. 1 shows a section of a turbine blade 1 in the region of the blade tip 2. The blade tip 2 forms the free end of the turbine blade 1 . In the embodiment presented here, the entire turbine blade 1 is made of a nickel-based alloy. In the exemplary embodiment shown here, the blade tip 2 is provided with a coating 3 on its edge 2 K that points outward in the radial direction and runs perpendicular to the longitudinal axis. This coating 3 is made of stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, mullite, aluminosilicate, silicon carbide or nitride or a high-temperature resistant silicide. The zirconium oxide can be stabilized, for example, using yttrium or cerium. The coating 3 is web-shaped and projects beyond the edge 2 K to the outside. The coating 3 is oriented perpendicular to the longitudinal axis of the blade tip 2 . Figs. 2, 3 and 4 show a section through the inventive Be coating 3 according to the line AA 'in Fig. 1. As shown in FIGS. 2, 3 and 4 it can be seen, the coating 3 is preferably a trapezoidal cross-section. However, the cross section can also be rectangular (not shown here). The coating 3 is disposed centrally on the outward edge 2 K. It is designed to be slightly shorter than the 2 K edge. The width of the coating 3 is dimensioned such that it corresponds approximately to the smallest width of the cross section of the blade tip 2 . According to the invention, the coating 3 can be prefabricated. There is the possibility, as shown in FIG. 1, to manufacture a plurality of components 3 B first, then to join them together to form the coating 3 and to connect them to the blade tip 2 . The coating 3 can, however, also be prefabricated as a one-piece component. The coating 3 can be soldered onto the edge 2 K for the connection thereof, as is the case with the coating 3 shown in FIG. 2. On the other hand, the coating 3 can also be provided with a foot 3 F, as shown in FIGS. 3 and 4. The foot 3 F extends over the entire length of the coating 3 and forms a unit with the one-piece coating 3 . The width of the foot 3 F can, as shown in FIGS. 3 and 4, be designed according to the circumstances. When producing the coating 3 from a plurality of components 3 B, each of these components 3 B is provided in a corresponding manner with such a foot 3 F, the length of which is then adapted to the respective length of the associated component 3 B. To connect the coating 3 to the edge 2 K, the foot 3 F is embedded in the surface of the edge 2 K. Methods with which components made of a ceramic can be connected with components made of a nickel-based alloy have long been part of the prior art and are therefore not described in more detail here.

Claims

1. turbine blade, characterized in that the blade tip ( 2 ) of the turbine blade ( 1 ) is seen at least in regions with an abrasive coating ( 3 ) made of a ceramic material or a ceramic composite material.

2. Turbine blade according to claim 1, characterized in that the blade tip ( 2 ) on the radially outward-pointing, perpendicular to the longitudinal axis of the blade tip ( 2 ) extending edge ( 2 K) with a web-shaped coating ( 3 ) is provided, which is aligned perpendicular to the longitudinal axis of the blade tip ( 2 ).

3. Turbine blade according to one of claims 1 or 2, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) has a trapezoidal or rectangular cross section and is arranged centrally on the outward edge ( 2 K) of the blade tip ( 2 ).

4. Turbine blade according to one of claims 1 or 2, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) is slightly shorter than the length as an edge ( 2 K), and that the width of the coating ( 3 ) is at least as large as that is the smallest width of the cross section of the blade tip ( 2 ).

5. Turbine blade according to one of claims 1 to 4, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) is made of a ceri or yttrium stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, mullite, aluminosilicate, silicon carbide or nitride or a high-temperature resistant silicide.

6. Turbine blade according to one of claims 1 to 5, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) from one or more components ( 3 B) is prefabricated.

7. Turbine blade according to one of claims 1 to 6, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) on the edge ( 2 K) is soldered.

8. Turbine blade according to one of claims 1 to 6, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) fit an embeddable in the edge ( 2 K) foot ( 3 F) is provided.

9. Turbine blade according to one of claims 1 to 8, characterized in that the web-shaped coating ( 3 ) from prefabricated components ( 3 B) is composed, which consists of a cerium or yttrium stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, mullite, aluminosilicate, silicon carbide or nitride or a high temperature resistant silicide.