STRÖMUNGSMASCHINE MIT BESCHICHTETER LAUFSCHAUFELSPITZE UND BESCHICHTETEM INNENGEHÄUSE

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Strömungs ^¬ maschine und eine Strömungsmaschine mit der Laufschaufei .

Eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, in Axi albauweise weist einen Verdichter und eine Turbine auf. So ^¬ wohl im Verdichter als auch in der Turbine kommen Schaufeln zum Einsatz, unterschieden werden dabei fest stehende Leitschaufeln und rotierende Laufschaufeln . Der Rotor der Gastur bine weist in dem Verdichter Verdichterlaufschaufelreihen un in der Turbine Turbinenlaufschaufelreihen auf. Zwischen den Verdichterlaufschaufelreihen und der Innenkontur des Gehäuse des Verdichters ist ein Radialspalt vorgesehen. In analoger Weise ist zwischen den Turbinenlaufschaufelreihen und der In nenkontur des Gehäuses der Turbine ebenfalls ein Radialspalt vorgesehen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Strö ^¬ mungsmaschine zu erzielen ist es erstrebenswert, die Radial ^¬ spalte zu allen Betriebszeitpunkten möglichst klein zu halten .

Beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine verändern sich jedoch die Radialspalte über die Zeit. Außerdem verändern sich die Radialspalte beim Wechsel vom Teillastbetrieb zum Voll ^¬ lastbetrieb der Gasturbine. Die zeitliche Veränderung der Ra dialspalte ist die Folge von unterschiedlichem thermischem Trägheitsverhalten der einzelnen Komponenten des Verdichters und der Turbine, insbesondere des Rotors, der Verdichterlauf schaufelreihen, der Turbinenlaufschaufelreihen, des Verdichtergehäuses und des Turbinengehäuses. Außerdem wird die zeit liehe Veränderung der Radialspalte verursacht von der Flieh ^¬ kraftdehnung der Laufschaufelreihen, der Querkontraktion des Rotors, einem eventuellen Spiel im Axiallager des Rotors, ei ner eventuell auftretenden Ovalisierung des Gehäuses infolge von montagebedingter Vorspannung und ungleichmäßiger Erwärmung des Gehäuses.

Um die Radialspalte abzudichten, kommen verschiedene Methoden in Frage, insbesondere kann das Gehäuse an seiner Innenseite mit einer abreibbaren Schicht versehen werden, die auch als thermische Barriere für das Gehäuse wirken kann. Jedoch kön ^¬ nen nach dem Betrieb der Gasturbine in der Turbine Abreibungen und Oxidationsschäden durch heißes Gas sowohl an den Schaufelspitzen als auch am Gehäuse festgestellt werden. Die Abreibungen vergrößern den Radialspalt, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine reduziert ist.

In DE 695 09 334 T2 ist eine Schaufel beschrieben, wobei die Schaufelspitze der Schaufel mit einer Lage eines Oxids auf

Zirkoniumbasis beschichtet ist, wobei die Lage eine Mehrzahl an Makrosprüngen aufweist. Aus DE 602 24 691 T2 ist eine Hyb ^¬ ridstruktur zur Verwendung bei Hochtemperaturanwendungen bekannt, welche eine keramische Isolierschicht, die durch eine Säulenstruktur charakterisiert ist und ein Verhältnis Leitfä ^¬ higkeit/Dicke von kleiner als 2000 W/m ² K aufweist, und eine mit der Isolierschicht verbundenen strukturellen keramischen Schicht aufweist. Es ist in US 2008/0219835 AI eine Gasturbi ^¬ ne beschrieben, die eine Schaufel, die an ihrer radial innen liegenden Spitze mit einem zerreibbaren Material beschichtet ist, und eine zu der Spitze benachbart angeordnete Dichtung mit einer abreibenden Beschichtung aufweist. In DE 699 26 838 T2 ist eine Luftdichtung beschrieben, die ein Substrat, eine über dem Substrat gebildete Lage aus Aluminiumoxid, ein auf der Aluminiumoxidlage aufgebrachtes erosionsbeständiges Kera ^¬ mikmaterial und ein auf dem erosionsbeständigen Keramikmate ^¬ rial aufgebrachtes abradierbaren Keramikmaterial aufweist, wobei das abradierbare und das erosionbeständige Keramikmate ^¬ rial unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Aus DE 29 37 463 ist eine Dichtung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, wobei die Dichtung am Gehäuse des Triebwerks den Schau ^¬ felspitzen gegenüberliegende Dichtflächen aufweist, die aus einer amphoterischen hochwarmfesten Oxidmatrix, einem Phosphatbindemittel, einem Stabilisierer und einem Füllstoff ge ^¬ bildet sind. Aufgabe der Erfindung ist es eine Laufschaufel und eine Strö ^¬ mungsmaschine zu schaffen, die die Laufschaufel aufweist und einen hohen Wirkungsgrad bei einer langen Lebensdauer der Laufschaufei hat. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge ^¬ löst. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist eine Laufschau- fei mit einer abreibbaren Schaufelspitzenbeschichtung auf, welche an der Schaufelspitze angeordnet ist und ein Material aufweist, welches mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( III ) - oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid ist. Dadurch, dass die Schaufelspitzenbeschichtung abreibbar ist, ist es ermöglicht, dass lediglich ein verminderter Radial ^¬ spalt zwischen der Schaufelspitze und der Radialinnenseite des Gehäuses der Strömungsmaschine vorgehalten zu werden braucht. Mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( I I I ) -oxid stabi- lisiertes Zirkonium ( IV) -oxid hat vorteilhaft ein gutes Ab ^¬ riebverhalten, was bedeutet, dass der Materialabtrag bei ei ^¬ nem Anstreifen der Schaufelspitze an das Gehäuse gering ist und der Radialspalt mit einer kleinen Erstreckung aufrecht erhalten werden kann. Durch den kleinen Radialspalt ergibt sich vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine. Ferner wirkt die Schaufelspitzenbeschichtung als thermische Isolierung für die Laufschaufei , wodurch sich vorteil ^¬ haft eine lange Lebensdauer der Laufschaufei ergibt. Das Material ist bevorzugt mit 6 bis 8 Massenprozent Yttri ^¬ um ( III ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid . Bevorzugter ^¬ maßen ist zwischen der Schaufelspitze und der Schaufelspit- zenbeschichtung eine metallische Haftvermittlerschicht ange- ordnet, mit der die Schaufelspitzenbeschichtung an der Schaufelspitze anhaftet. Dadurch, dass die Schaufelspitzenbe ^¬ schichtung mit einer metallischen Haftvermittlerschicht an die Schaufelspitze angehaftet ist, ergibt sich eine gute An- bindung der Schaufelspitzenbeschichtung an die Schaufelspitze. Durch die gute Anbindung wird ein Abblättern oder ein Absplittern der Schaufelspitzenbeschichtung unterbunden, wodurch vorteilhaft die Lebensdauer der Schaufelspitzenbe ^¬ schichtung im Betrieb der Strömungsmaschine lang ist.

Die Haftvermittlerschicht ist bevorzugt aus einem derartigen Material hergestellt, dass die Laufschaufel gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist. Bevorzugtermaßen erstreckt sich die Schaufelspitzenbeschichtung teilweise oder vollstän- dig über das Schaufelblatt der Laufschaufel .

Insbesondere die Laufschaufein einer Turbinenlaufschaufelrei ^¬ he einer Gasturbine, die stromabwärts der Brennkammer der Gasturbine angeordnet sind, sind einem heißen Gas mit einer Temperatur von über 1000 °C ausgesetzt. Dadurch, dass die

Haftvermittlerschicht aus dem Material hergestellt ist, mit dem die Schaufelspitze gegen Oxidation und/oder Korrosion geschützt ist, haben die Laufschaufein selbst bei dieser starken thermischen Beanspruchung vorteilhaft ein lange Lebens- dauer. Die Schaufelspitzenbeschichtung wirkt als thermische Isolierung für die Laufschaufel , woraus sich eine geringere Wärmeausdehnung der Schaufel ergibt, wodurch der Radialspalt lediglich mit einer geringen Erstreckung vorgesehen zu werden braucht und sich damit vorteilhaft ein hoher Wirkungsgrad der Strömungsmaschine ergibt.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist die Laufschaufel auf, wobei die Laufschaufel in dem Gehäuse der Strömungsma ^¬ schine angeordnet ist und zwischen der Schaufelspitze und der Radialinnenseite des Gehäuses der Radialspalt ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist an der Schaufelspitze unmittelbar benachbart an der Radialinnenseite des Gehäuses eine abreib ^¬ bare Abrasionsschicht angeordnet, welche mit 20 bis 50 Mas- senprozent, insbesondere 32 bis 34 Massenprozent, Ytterbi- um ( III ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid aufweist. Mit 20 bis 50 Massenprozent Ytterbium ( I I I ) -oxid stabilisiertes Zirkonium ( IV) -oxid hat ein gutes Abriebverhalten mit mit 2 bis 12 Massenprozent Yttrium ( I I I ) -oxid stabilisiertem Zirko ^¬ nium ( IV) -oxid . Durch das gute Abriebverhalten ergibt sich bei einem Kontakt von der Schaufelspitzenbeschichtung und der Abrasionsschicht im Betrieb der Strömungsmaschine ein gerin ^¬ ger Materialabtrag von sowohl der Schaufelspitzenbeschichtung als auch von der Abrasionsschicht. Durch den geringen Materialabtrag ist der Radialspalt schmal ausgebildet, wodurch sich vorteilhaft der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine als hoch ergibt. Ferner wirkt die Abrasionsschicht als thermische Iso ^¬ lierung für das Gehäuse, wodurch sich vorteilhaft ein lange Lebensdauer für das Gehäuse ergibt. Durch die thermische Iso ^¬ lationswirkung der Abrasionsschicht ergibt sich eine geringe ^¬ re Wärmeausdehnung des Gehäuses, wodurch der Radialspalt klein gehalten werden kann und vorteilhaft der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine hoch ist. Des Weiteren ergeben sich durch die thermische Isolationswirkung der Abrasionsschicht vorteilhaft reduzierte thermische Verluste durch Wärmelei ^¬ tung .

Die Radialerstreckungen der Schaufelspitzenbeschichtung und der Haftvermittlerschicht sind bevorzugt so gewählt, dass beim Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die Schaufel- spitzenbeschichtung vollständig abgetragen ist, so dass die Haftvermittlerschicht an der Schaufelspitze freigelegt ist. Dadurch, dass die Haftvermittlerschicht die Schaufelspitze auch nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs bedeckt, ist die Schaufelspitze auch nach Erreichen des maximal zuläs ^¬ sigen Abriebs vorteilhaft vor Oxidation und/oder Korrosion geschützt . Weiterhin ist die Radialerstreckung der Abrasionsschicht bevorzugt so gewählt, dass beim Erreichen des maximal zulässi ^¬ gen Abriebs die der Schaufelspitze unmittelbar benachbarte Rsdialinnenseite des Gehäuses von der Abrasionsschicht voll- ständig bedeckt ist. Dadurch, dass die Abrasionsschicht nach Erreichen des maximal zulässigen Abriebs die unmittelbar benachbarte Radialinnenseite des Gehäuses bedeckt, ist dieser Bereich durch die Abrasionsschicht vorteilhaft thermisch iso- liert.

Die Radialinnenseite des Gehäuses ist bevorzugt von einer Mehrzahl an Hitzeschildsegmenten gebildet. Bevorzugtermaßen sind die Laufschaufeln in der ersten und/oder zweiten Turbi- nenlaufschaufelreihe eingebaut. Des Weiteren ist die Abrasi ^¬ onsschicht bevorzugt unmittelbar benachbart an den Schaufel ^¬ spitzen der ersten und zweiten Turbinenlaufschaufelreihen, an der Radialinnenseite des Gehäuses angeordnet. Weil die Wärme ^¬ ausdehnung der Laufschaufeln und die Belastung durch Oxidati- on und Korrosion in der ersten und zweiten Turbinenlaufschaufelreihe am höchsten ist, können die erfindungsgemäßen Laufschaufeln und die Abrasionsschicht vorteilhaft in diesen Tur ^¬ binenlaufschaufelreihen vorgesehen werden. Die Strömungsmaschine ist bevorzugt eine Axialturbine einer Gasturbine.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laufschaufel und der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt der Strömungsmaschine mit der Laufschaufel vor Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine und Figur 2 den Längsschnitt der Strömungsmaschine aus Figur 1 nach Beginn des Betriebes und

Figur 3 den Längsschnitt der Strömungsmaschine nach einer ge ^¬ wissen Betriebsdauer der Strömungsmaschine unter Volllast.

Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Lauf ^¬ schaufel 1 einer Strömungsmaschine einen Schaufelfuß 4, eine Schaufelfußplatte 3, ein Schaufelblatt 2 und eine Schaufel- spitze 5 auf. Der Schaufelfuß 4 hat im Längsschnitt ein Tan ^¬ nenbaumprofil, mit welchem die Schaufel 1 in einem Rotor der Strömungsmaschine befestigt werden kann. An seiner radialen Außenseite weist der Schaufelfuß 4 eine flache Schaufelfuß- platte 3 auf. Radial außenseitig an der Schaufelfußplatte 3 sind das Schaufelblatt 2 und die Schaufelspitze 5 angeordnet, wobei die Schaufelspitze 5 der radial außenseitig gerichtete Bereich der Laufschaufel 1 ist, während das Schaufelblatt 2 der verbleibende Bereich radial außenseitig der Schaufelfuß- platte 3 ist. Auf der Schaufelspitze 5 ist eine Schaufelspit- zenbeschichtung 8 angebracht, wobei zwischen der Schaufel- spitzenbeschichtung 8 und der Schaufelspitze 5 eine Haftvermittlerschicht 9 eingebracht ist. Radial außenseitig zu der Laufschaufel 1 ist ein Gehäuse 12 angeordnet, an dessen radi- aler Innenseite, in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Schau ^¬ felspitze 5 ein Hitzeschildsegment 6 angebracht ist, dessen Axialerstreckung länger als die Axialerstreckung der Schaufelspitze 5 ist. An der Radialinnenseite des Hitzeschildseg ^¬ ments 6 ist eine Abrasionsschicht 7 mit einer Radialinnensei- te 11 angebracht, an die die Laufschaufel 1 im Betrieb der Strömungsmaschine anschleifen kann. Zwischen der Schaufel- spitzenbeschichtung 8 und der Abrasionsschicht 7 ist ein Ra ^¬ dialspalt 10 ausgebildet. Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, ist vor dem Beginn des Betriebs der Strömungsmaschine der Radialspalt 10 groß und die Abrasionsschicht 7 hat über die ganze Axiallänge die gleiche Dicke. Wie es aus Figur 2 ersichtlich ist, dehnt sich nach dem Beginn des Betriebs die Laufschaufel 1 in Radial- richtung aus, so dass die Schaufelspitzenbeschichtung 8 an die Radialinnenseite 11 der Abrasionsschicht 7 anschleift. Dadurch wird Material von sowohl der Schaufelspitzenbeschichtung 8 als auch der von Abrasionsschicht 7 abgetragen. Dadurch verringert sich die Dicke der Schaufelspitzenbeschich- tung 8 und die Dicke der der Abrasionsschicht 7 im Reibungs ^¬ bereich im Vergleich zu Figur 1. Der Radialspalt 10 ist im Vergleich zu Figur 1 schmaler. Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, ist die Schaufelspitzenbeschichtung 8 nach einer gewis- sen Zeit im Betrieb unter Volllast vollständig abgetragen. Die Haftvermittlerschicht 9 ist freigelegt und der Radial ^¬ spalt 10 ist ähnlich schmal wie in Figur 2.