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Title:
METHOD FOR PRODUCING A ROTOR/STATOR SEAL OF A GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/076549
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for applying a ceramic layer (21) to the sealing surfaces (4) of sealing segments (3) arranged on the inner circumference of a turbine housing part (1) of a rotor/stator seal of a gas turbine. According to the invention, the ceramic layer (21) is applied while the sealing segments (3) are in an installed state in the turbine housing part (1).

Inventors:
PETERS JAN OKE (DE)
TIEDEMANN VOLKER (DE)
SIRY CHRISTIAN W (DE)
STUNZ DIETMAR (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/068948
Publication Date:
June 30, 2011
Filing Date:
December 06, 2010
Export Citation:
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Assignee:
LUFTHANSA TECHNIK AG (DE)
PETERS JAN OKE (DE)
TIEDEMANN VOLKER (DE)
SIRY CHRISTIAN W (DE)
STUNZ DIETMAR (DE)
International Classes:
C23C4/12; B23P6/00; C23C4/18; C23C28/00; F01D5/00; F01D11/12
Foreign References:
EP1666625A12006-06-07
EP0965730A21999-12-22
DE10225532C12003-12-04
EP0934795A21999-08-11
EP0753376A11997-01-15
US20050235493A12005-10-27
EP1416063A12004-05-06
US4299865A1981-11-10
Other References:
See also references of EP 2516688A1
Attorney, Agent or Firm:
GLAWE DELFS MOLL Patent- und Rechtsanwälte (DE)
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Claims:
Patentansprüche

Verfahren zum Aufbringen einer Keramikschicht (21) auf die Dichtflächen (4) von am Innenumfang eines Turbinen- gehäuseteils (1) angeordneten Dichtsegmenten (3) einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Keramikschicht (21) erfolgt, während sich die Dichtsegmente (3) im Einbau¬ zustand in dem Turbinengehäuseteil (1) befinden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Keramikschicht (21) durch atmosphä¬ risches Plasmaspritzen (APS) erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (21) eine Porosität von 1 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 20 bis 30 Vol.-% aufweist.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das die Porosität durch einen Anteil eines thermisch ent¬ fernbaren Stoffes in dem aufgebrachten Keramikmaterial bewirkt wird.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch entfernbare Stoff ein Polymer, vorzugs¬ weise ein Polyester ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Keramik- schicht ZrÜ2 enthält.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aufgebrachten Keramik- Schicht (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 CoNiC- rAlY-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 Kunst¬ stoff, vorzugsweise ein UV- oder lichthärtbarer Kunst¬ stoff, weiter vorzugsweise ein Acrylat- und/oder Me- thacrylatkunststoff, weiter vorzugsweise ein Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxyacrylaten, Urethanacrylaten, Polyesteracrylaten, Polyetheracryla- ten und Silikonacrylaten .

13. Verfahren zur Reparatur von Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinengehäuseteils angeordneten Dicht¬ segmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, mit den Schritten: a) zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengehäuseteils (1), wobei sich die Dichtsegmente (3) im Ein¬ bauzustand 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.

14. 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 Rotorschau¬ felspitzen 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 Turbi¬ nengehäuseteil (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) me¬ tallische Dichtflächen (4) aufweisen.

Description:
Verfahren zum Herstellen einer Rotor/Statordichtung

einer Gasturbine

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 beispiels ¬ weise 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 da ¬ mit 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 Be- Schichtung 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 Mate- rialabtrag 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 Ke ¬ ramikschicht 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 Kohlenwas ¬ serstoffen oder anderen Treibstoffen entstehenden Heißgas- Stroms in mechanische Energie umgesetzt wird. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Strahl- oder Turboproptrieb ¬ werken von Flugzeugen.

Eine Rotor-/Statordichtung dichtet in einer Drehbewegung relativ zueinander laufende Bauteile der Gasturbine gegen ¬ einander 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 ei- nes Strahltriebwerks handeln, in dem die Statordichtung angeordnet ist.

Am Innenumfang dieses Turbinengehäuseteils sind Dichtseg ¬ mente angeordnet. Der Begriff Dichtsegmente bezeichnet de- montierbare bzw. einzeln austauschbare Teile, die jeweils einen Bruchteil des Innenumfangs des Turbinengehäuses aus ¬ kleiden. Eine Mehrzahl von Dichtsegmenten erstreckt sich über den gesamten Umfang des Turbinengehäuseteils und bil ¬ det 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 Rah- men 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 ZrÜ 2 , AI 2 O 3 und/oder anderen Metall-, Übergangsme- tall- oder Seltenerdoxiden bzw.

-mischoxiden .

Erfindungsgemäß erfolgt das Aufbringen der Keramikschicht, während sich die Dichtsegmente im Einbauzustand in dem Tur- binengehäuseteil befinden. Dies bedeutet, dass das Aufbrin ¬ gen der Keramikschicht erfolgt, während die Dichtsegmente im Einbauzustand, d.h. verbunden mit dem Turbinengehäuse- teil, eine gemeinsame, sich über den gesamten Umfang des Turbinengehäuseteils erstreckende Dichtfläche bilden.

Dieses Beschichten im Einbauzustand hat eine Reihe von Vor- teilen. Zum einen muss die Gasturbine bzw. das Strahltrieb ¬ werk nur bis zur Modulebene zerlegt werden, die aufwändige und damit kostenträchtige Zerlegung bis auf die Einzelteil ¬ ebene entfällt. Zum anderen wird bei einer Beschichtung im Einbauzustand auf der Modulebene von vornherein eine ein- heitliche über den Umfang egalisierte Keramikschicht aufge ¬ tragen. Bei der im Stand der Technik üblichen Beschichtung der Einzelteile kommt es durch unvermeidbare Toleranzen im Zuge des nachgelagerten Einbaus der Dichtsegmente zu Unste- tigkeiten an den Übergangs- bzw. Stoßstellen in Umfangs- richtung 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 Ein- laufschichten aufgebracht werden, damit genügend Substanz für das nach dem Zusammenbau unvermeintliche Präzisions ¬ schleifen 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 Rotorspit ¬ zen bei dem ersten Motorlauf in die Keramikschicht ein ¬ schneiden 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 er ¬ zeugt wird durch die Rekombination eines vorher erzeugten Gasplasmas. In den Plasmastrahl wird das aufzutragende Ma ¬ terial als Pulver gespeist. Beim atmosphärischen Plasmaspritzen erfolgt der Materialauftrag in normaler Umge- bungsatmosphäre . 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 At ¬ mosphäre wie beispielsweise eine Unterdruckkammer überführt werden müssen. Die beim atmosphärischen Plasmaspritzen erzielbare Qualität der Keramikschicht ist für die erfin ¬ dungsgemäßen Zwecke ohne weiteres hinreichend.

Das bereits mehrfach genannte Turbinengehäuseteil kann er- findungsgemäß beispielsweise ein sogenanntes High Pressure Turbine Shroud Support (HPT Shroud Support) eines Strahl ¬ triebwerks sein. Die erfindungsgemäß möglich gute Dichtwir ¬ kung bzw. die Erzielung eines geringen Dichtspaltes kann sich insbesondere bei der Hochdruckturbine in einem verbes- serten Wirkungsgrad und damit einer Treibstoffeinsparung bemerkbar machen. Die erfindungsgemäß aufgebrachte Keramik ¬ schicht weist vorzugsweise eine Porosität von 10 bis 40 Vol.-%, weiter vorzugsweise 20 bis 30 Vol.-% auf. Eine sol ¬ che Porosität trägt dazu bei, die Keramikschicht hinrei- chend weich zu gestalten und ihr sogenannte Einlaufeigen- schaften zu verleihen. Gerät die Schaufelspitze des Rotors mit einer solchen Keramikschicht in Kontakt, soll die Werk ¬ stoff- bzw. Reibpaarung derart gestaltet sein, dass aus- schließlich oder vorwiegend die Keramikschichtdichtflache abgetragen wird und kein oder nur ein geringer Verschleiß an der Schaufelspitze auftritt. Zur Erzielung der Porosität ist es bevorzugt, dass das auf ¬ gebrachte Keramikmaterial im Zeitpunkt des Aufbringens ei ¬ nen Anteil eines thermisch entfernbaren Stoffes enthält. Dabei kann es sich insbesondere um ein Polymer wie bei ¬ spielsweise ein Polyester handeln. Thermisch entfernbar be- deutet, dass der Stoff bei Zufuhr thermischer Energie weit ¬ gehend oder vollständig rückstandsfrei aus der Keramik ¬ schicht entweicht und dabei Hohlräume in Form von Poren hinterlässt. Das Entfernen kann geschehen durch Verdampfen, Sublimation oder thermische Zersetzung bzw. Verbrennung un- ter Entweichen gasförmiger Zersetzungsprodukte.

Das Keramikmaterial der Keramikschicht basiert beispiels ¬ weise auf ZrÜ2 ( Zirkondioxid) , es kann dotiert sein mit Seltenerdmetalloxiden wie beispielsweise Y2O 3 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 Be- Zeichnung Metco 2460 NS erhältlich.

Die Dicke der aufgebrachten Keramikschicht kann erfindungs ¬ gemäß 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 we ¬ niger. Bei der Haftvermittlerschicht handelt es sich bevor ¬ zugt um eine MCrAlY-Schicht , bei der M bevorzugt ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Nickel, Kobalt, Eisen oder Kombi ¬ nationen daraus ist. Andere Elemente wie beispielsweise Hafnium oder Silizium als sogenannte reactive element addi- tions können hinzugefügt werden, um die Oxidationsbestän- digkeit und Lebensdauer der Haftvermittlerschicht (Bond Co- at) zu erhöhen. Die Haftvermittlerschicht wird bevorzugt ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgebracht. Ggf. kann Vaku ¬ umplasmaspritzen (low vacuum plasma spray, LVPS) verwendet werden, bevorzugt ist jedoch das bereits beschriebene atmo ¬ sphärische 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 Er ¬ findung 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 Ke- ramikschicht und etwaiger Nachbearbeitungen wie beispiels ¬ weise 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 Kühlluftboh ¬ rungen 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, Polyeste- racrylate, Polyetheracrylate und Silikonacrylate handeln. Entsprechende lichthärtende Kunststoffe sind dem Fachmann geläufig. Die Viskosität und Beschaffenheit des zum Ver ¬ schluss der Kühlluftbohrungen noch nicht ausgehärteten Ge- mischs ist bevorzugt der Gestalt, dass eine sichere Appli- kation eines viskosen Gels möglich ist und dieses vor dem Aushärten nicht oder nur in noch hinnehmbarer Weise wegfließt. Geeignete Kunststoffe bzw. Klebstoffe sind bei ¬ spielsweise 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 Repa ratur von Dichtflächen von am Innenumfang eines Turbinenge häuseteils angeordneten Dichtsegmenten einer Rotor/Statordichtung einer Gasturbine, mit den Schritten: zur Verfügung stellen des demontierten Turbinengeha seteils, wobei sich die Dichtsegmente im Einbauzu ¬ stand in dem Turbinengehäuseteil befinden, b) Abtragen von Material von den Dichtflächen der Dichtsegmente, c) Aufbringen einer Keramikschicht mittels eines Verfah ¬ rens 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 Ro ¬ torflügelspitzen 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 Turbinengehäu- seteil befinden,

Abtragen von Material von den Dichtflächen der Dicht segmente,

Aufbringen einer Keramikschicht mittels eines Verfah ¬ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, so dass ein Dichtspalt entsteht, der kleiner ist als der Dicht ¬ spalt im Neuzustand.

Gemäß diesen beiden Aspekten der Erfindung steht im Vordergrund ein Reparaturverfahren, bei dem eine gezielte Neuherstellung der Dichtflächen erfolgt. Gemeinsam ist den Repa- raturverfahren der Ansprüche 13 und 14, das die Reparatur erfolgt auf der Ebene des Turbinengehäusemoduls ohne weite ¬ re Zerlegung in die Einzelteile, also insbesondere mit den Dichtsegmenten im Einbauzustand. Ferner wird erfindungsge ¬ mäß von den Dichtflächen der Dichtsegmente Material abge- tragen, 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 Durchfüh- rung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine metallische Dichtfläche auf, also weder eine erfindungsgemäß aufge ¬ brachte noch andersartige keramische Dichtfläche. Gemäß ei ¬ nem weiteren Aspekt der Erfindung (Merkmal c) des Anspruchs 14) wird bei einer erfindungsgemäß durchgeführten Reparatur ein Dichtspalt hergestellt, der kleiner ist als der Dicht ¬ spalt 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 CO 2 - Ausstoß von Flugzeugtriebwerken verringert werden soll. Dieser Aspekt der Erfindung soll nachfolgend noch näher er- läutert werden.

Die erfindungsgemäßen Reparaturverfahren sind verwendbar bei Gasturbinen, die im Neuzustand eine keramische Dicht ¬ fläche 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 Panze ¬ rung nicht zwingend erforderlich.

Es gibt ebenfalls Strahltriebwerke für Flugzeuge (bei- spielsweise General Electric CFM56 und CF6-80), die metal ¬ lische 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 Betriebszu ¬ ständen zu vermindern, ist häufig ein verhältnismäßig gro ¬ ßer Dichtspalt erforderlich, durch den sich der Wirkungsgrad des Triebwerks vermindert.

Erfindungsgemäß kann auch bei solchen Gasturbinen mit metallischen Dichtflächen eine Keramikschicht auf die Dicht ¬ fläche gemäß dem Reparaturverfahren des Anspruchs 14 aufge- bracht 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 ei- ner keramischen Dichtfläche. Diese kann so konzipiert und aufgetragen werden, dass nach der Wiedermontage der Gasturbine der Dichtspalt geringer ist als im Neuzustand mit me ¬ tallischer Dichtfläche. Die Verkleinerung des Dichtspalts ist möglich, da bei der erfindungsgemäß aufgebrachten kera- mischen Dichtfläche ein Einlaufen der Blattspitzen in die

Dichtfläche toleriert werden kann. Wenn ein solches Einlau ¬ fen stattfindet, wird aufgrund der Materialpaarung der einlaufenden Blattspitze in die weiche Keramikschicht ledig ¬ lich 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 Materialab ¬ trag 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 weite- ren Vorteil einer verhältnismäßig geringen Prozesstempera ¬ tur. Da der Plasmastrahl nur verhältnismäßig wenig thermische Energie auf die zu beschichtenden Dichtsegmente über ¬ trägt, 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 Dicht ¬ segment 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:

Fig. 1: einen Querschnitt durch eine Gasturbinensektion; Fig.2: eine Aufsicht auf das Turbinengehäuse;

Fig. 3: das Zusammenwirken von Turbinenschaufel und

Dichtfläche im Betrieb; Fig. 4: schematisch die Bearbeitungsschritte bei der

Durchfüh-rung einer erfindungsgemäßen Reparatur;

Fig. 5: schematisch das Vorgehen bei einem Materialabtrag von den Dichtflächen im Zuge der Vorberei- tung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6: schematisch das erfindungsgemäße Beschichtungs- verfah- ren; Fig. 7: die erfindungsgemäß mögliche Verkleinerung des

Dichtspaltes ;

Fig. 8: das Verhalten einer erfindungsgemäß aufgebauten

Rotor-/Statordichtung im Betrieb.

Figur 2 zeigt in der Aufsicht ein Turbinengehäuse 1, an

dessen Innenumfang Aufnahmesegmente 2 für die Dichtsegmente 3 an ¬ geordnet sind. Die über den Umfang des Turbinengehäuses 1 aneinander anstoßenden Dichtsegmente 3 weisen an ihren radial nach innen weisenden Umfangsflachen Dichtflächen 4 auf .

In Figur 1 zeigt die Bezugsziffer 5 schematisch die Rotationssymmetrieachse der Gasturbine. An der Rotorscheibe 6 sind über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Turbinen- laufschaufeln 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 Ro- tor-Radius 10 errechnet. Der Pfeil 11 bezeichnet die Rich ¬ tung des durch die Gasturbine strömenden Gasstroms.

Figur 3a zeigt den auch in Figur 1 dargestellten Ausgangszustand. Das Dichtsegment 3 weist bei dieser Ausführungs- form eine metallische Dichtfläche auf. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet Kühlluftbohrungen in dem Dichtsegment 3.

Im Betrieb des Triebwerks kann es aufgrund thermischer Aus ¬ dehnungen und/oder einer in Figur 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 Figur 3c schematisch dargestellte Einlaufkerbe 14 und die Schaufellänge 15 wird durch Materialabtrag an der Spit- ze der Turbinenschaufel 7 verringert. Es entsteht ein ver ¬ größerter Dichtspalt 8a; der Wirkungsgrad des Triebwerks verringert sich. Figur 4 zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemä ¬ ßen Reparaturverfahrens. Figur 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 Figur 4a nicht dargestellte Einlaufkerbe (siehe Bezugsziffer 14 in Figur 3c) vorhanden sein .

Der gesamte in Figur 4 dargestellte Reparaturvorgang findet statt im Einbauzustand der Dichtsegmente im Turbinengehäuse 1, wie er in Figur 2 dargestellt ist. In Figur 4 ist der Klarheit halber jeweils nur ein einzelnes Dichtsegment dar ¬ gestellt. Figur 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 Figur 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 Luft ¬ druck .

Zur Vorbereitung der Plasmabeschichtung wird ein sogenann- tes Aktivierungsstrahlen durchgeführt. Zu diesem Zweck wird Al20 3 -Strahlgut der Körnung Mesh 36 verwendet. Folgende Strahlparameter eignen sich für das Aktivierungsstrahlen: Rotationsgeschwindigkeit 15min -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 Figur 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 aus- gehärtet. Man erhält in Figur 4d schematisch dargestellte

Kunststoffpfropfen 17, die die Kühlluftkanäle 13 verschlie ¬ ßen .

Im nächsten Schritt wird eine in Figur 4e schematisch dar- gestellte Haftvermittlerschicht 18 aufgebracht. Zu diesem Zweck wird ein feinkörniges Pulver auf CoNiCrALY-Basis (Amdry 365-2) durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht. Figur 6 zeigt schematisch, wie eine Beschichtungs- einheit 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, Rotati ¬ onsgeschwindigkeit 27min -1 . Die Dicke der so aufgebrachten Haftvermittlerschicht beträgt vorzugsweise 0,03 bis 0,05 mm.

Fakultativ kann auf die Haftvermittlerschicht eine erosi ¬ onsfeste Keramikzwischenschicht unter Verwendung eines Ke ¬ ramikpulvers wie z.B. Praxair 1484 aufgebracht werden. Anschließend wird die erfindungsgemäße weiche Keramik ¬ schicht (EinlaufSchicht ) mit der Beschichtungseinheit 19 aufgetragen. Die Schicht ist schematisch bei 21 in Figur 4f dargestellt . Als Beschichtungsmaterial wird Metco 2460 NS verwendet. Folgende Beschichtungsparameter werden verwendet:

2 mm Einzeleinspritzdüse, 9 Hübe, 1,8% vertikale Geschwin ¬ digkeit des Roboters, Rotationsgeschwindigkeit 33min "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 Materialhö ¬ cker werden dabei abgetragen. Nach dem Abschleifen ragen die Kunststoffpfropfen 17 bis zur Dichtfläche 4 vor, wie schematisch in Figur 4g dargestellt.

Die Kunststoffpfropfen 17 werden entweder durch eine separate Wärmebehandlung oder bei erstmaliger Inbetriebnahme des Triebwerks thermisch zersetzt und im wesentlichen rück- standsfrei aus den Kühlluftbohrungen 13 entfernt. Der so hergestellte betriebsfertige Zustand ist schematisch in Fi ¬ gur 4h dargestellt. Figur 7 zeigt die erfindungsgemäß mögliche Verkleinerung eines Dichtspaltes und damit die Erhöhung des Wirkungsgra ¬ des eines Strahltriebwerks im Rahmen der sogenannten

Green/aviation . Figur 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.

Figur 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 gegen ¬ über 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 bei ¬ spielsweise den Treibstoffverbrauch und damit den CO 2 - Ausstoß um ca. 0,3% senken.

Figur 8 zeigt schematisch ein im Betrieb des Triebwerkes mögliches Einlaufen von Turbinenschaufeln 7 in die Dichtfläche 4 eines Dichtsegments 3. Es entsteht hier wieder ei- ne in Figur 8b schematisch mit 14 bezeichnete Einlaufkerbe . Da diese Einlaufkerbe in der weichen Keramikschicht 21 ent ¬ steht, kommt es zu keinem oder nur einem sehr geringen Ma- terialabtrag an der Spitze der Turbinenschaufel 7, so dass deren radiale Länge 15 im wesentlichen unverändert bleibt.




 
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