Die Erfindung betrifft keramische Dichtsysteme von Turbinen- laufschaufein und Gehäusen.

Zur Optimierung von Radialspalten innerhalb stationärer Gasturbinen werden sogenannte "Abradable Coatings" (abriebfähige Schichten) eingesetzt, die dem mechanischen Widerstand von Turbinenlaufschaufelspitzen in ihrer thermischen Ausdehnung nachgeben sollen und abgerieben werden, so dass ein Graben innerhalb einer keramischen Beschichtung entsteht.

Oft hat dessen Laufschaufelmaterial auf der Keramik abgerie- ben.

In Flugzeugtriebwerken wird die Schaufelspitze mitunter mit cBN (kubisches Bornitrid) beschichtet, um eine Abrasivwirkung auf die Einlaufschichten zu erzielen. cBN ist ein sehr hartes Material, was gut geeignet ist, keramische Schichten abzurei ^¬ ben. Allerdings ist es nicht sehr temperaturbeständig (Zer ^¬ setzung mit Sauerstoff bereits unter 1273K) , so dass es für stationäre Gasturbinen mit unbekannten Zeitpunkten des An- streifens nicht geeignet ist, da es vorher verbrennt.

Andere Hersteller von stationären Gasturbinen verwenden sogenannte "engineered surfaces". Diese Schichten weisen schräg zur Strömungsrichtung in die Einlaufschichten eingebrachte Vertiefungsrillen auf, die das Eingraben erleichtern sollen. Dies hat jedoch zur Folge, dass Verwirbelungen bzw. Druckverluste an den Vertiefungskanten zu einem negativen Einfluss auf die Maschinenperformance führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Dichtungssystem gemäß Anspruch 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön ^¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.

Es zeigen die Figuren 1, 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Er ^¬ findung, die Figuren 4 und 5 eine Turbinenschaufel und eine Gasturbine.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem die

Turbinenlaufschaufel 120 als Bauteil für einen Rotor 120 dem Stator, einem Gehäuse 1 ^λ (Fig. 1), 1 ^{λ λ} , 1 ^{λ λ λ} (Fig. 2, 3) gegenüberliegt . Die Turbinenschaufel 120 als Teil eines Rotors 120 weist in der Regel eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung im Substrat auf und weist entsprechende Schutzschichten auf der Schaufelplattform und dem Schaufelblatt 25 auf (Fig. 2, 3) . Dies sind metallische Haftvermittlerschichten und/oder Korro- sionsschutzschichten auf der Basis NiCoCrAlY, Aluminide oder Platinaluminide, jeweils mit einer darüber liegenden keramischen Schicht oder keramischen Schichtsystem (Fig. 1, 2, 3), insbesondere mit einer Schichtdicke der keramischen Schicht von mindestens 300ym.

Ebenso können zweilagige keramische Schichtsysteme auf dem Schaufelblatt 25, wie eine unterliegende teilstabilisierte Zirkonoxidschicht mit einer darüber liegenden vollstabili ^¬ sierten Zirkonoxidschicht als äußere Schicht mit oder ohne Segmentierung vorhanden sein oder eine Pyrochlorschicht mit einer keramischen Bindungsschicht, insbesondere auf der Basis von Zirkonoxid. Eine Turbinenschaufelspitze 99, die dem Stator 1 ^λ (Fig. 1), 1 ^{λ λ} , ΐ ^{λ λ λ} (Fig. 2, 3) direkt gegenüberliegt, wird nicht mit einer Panzerung versehen. Hier geht die Erfindung eine andere Richtung, indem dort eine teilstabilisierte Zirkonoxidschicht 11 mit einer geringeren Porosität, insgesamt < 8%, insbeson ^¬ dere < 6% aufgebracht wird, mit einer vorteilhaften Schicht ^¬ dicke zwischen 50ym und 150ym (Fig. 1, 2, 3) .

Die Zirkonoxidschicht 11 unterscheidet sich von der kerami- sehen Schicht auf dem Schaufelblatt, insbesondere durch

Lagigkeit, Porosität (mindestens 10% Unterschied) oder Zusam ^¬ mensetzung (mindestens 10% oder anderer Stabilisator) .

Das gegenüberliegende Schichtsystem 4 ^λ auf dem Gehäuse 1 ^λ weist ebenfalls ein Substrat 7 mit einem metallischen Bond- coat 10, vorzugsweise auf der Basis NiCoCrAlY auf. Die

NiCoCrAlY-Schicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 180ym bis 300ym auf. Auf die metallische Haftvermittlerschicht 10 wird eine dicke, äußere teilstabilisierte Zirkonoxidschicht 13 aufgebracht.

Diese keramische Schicht 13 auf dem Schichtsystem 4 ^λ ist eine teilstabilisierte Zirkonoxidschicht mit einer Porosität > 8%, insbesondere größer 10% und Schichtdicken von mindestens 1300ym.

Die Porosität dieser keramischen Schicht 13 ist deutlich höher und liegt bei 18% ± 4%. Die Teilstabilisierung (Fig. 1, 2, 3) wird erreicht vorzugs ^¬ weise durch Yttriumoxid, kann aber auch durch andere Stabili ^¬ satoren wie Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Yb ₂ Ü3 oder Gd ₂ <0 ₃ er ^¬ reicht werden, wobei der Anteil von Yttriumoxid vorteil ^¬ hafterweise bei 8% liegt.

Die Schichtdicke der keramischen Schicht 13 liegt vorzugs ^¬ weise bei 1400ym ± 10%. In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Turbinenlaufschaufel 120 dieselbe Schutzbeschichtung auf dem Schaufelblatt 25, der Schaufelplattform und der

Zirkonoxidbeschichtung 11 auf der Spitze 99 aufweist.

Hingegen weist das Gehäuse 1 ^{λ λ} als Schichtgehäuse 4 ^{λ λ} eine zweilagige keramische Beschichtung 15 15 ^{λ λ} auf, ebenfalls auf einem Substrat 7 und einer metallischen Haftvermittler- schicht 10, wie in Figur 1 beschrieben.

Es wird jedoch eine keramische Anbindungsschicht 15 18 ^λ (Fig. 3) verwendet, die eine Porosität von vorzugsweise 18% ± 4% aufweist, aber nur eine Schichtdicke von maximal 500ym, insbesondere 300ym bis 500ym. Die keramische Anbindungs ^¬ schicht 15 18 ^λ (Fig. 3) ist eine teilstabilisierte Zirkon- oxidschicht .

Als dickere, mindestens doppelt so dicke äußere keramische Schicht 15 ^{λ λ} wird eine vollstabilisierte Zirkonoxidschicht 15 ^{λ λ} verwendet .

Die Stabilisierung wird vorzugsweise durch Yttriumoxid er ^¬ reicht, kann aber auch durch andere Stabilisatoren erreicht werden (Fig. 1, 2, 3) .

Der Anteil an dem Stabilisator von Yttriumoxid liegt bei 20% bis 48%. Die Schichtdicke der dicken äußeren keramischen Schicht 15 ^{λ λ} , 18 ^{λ λ} (Figur 2, 3) liegt vorzugsweise bei lOOOym.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.

Das keramische Schichtsystem 4 ^{λ λ λ} auf den keramischen Schichten 18 18 ^{λ λ} ist ebenfalls zweilagig und weist ebenfalls eine keramische Anbindungsschicht 18 wie in Figur 2 be ^¬ schrieben, auf.

Hingegen ist die dicke, äußere, keramische Schicht 18 ^{λ λ} aber teilstabilisiert, insbesondere mit Yttriumoxid, insbesondere mit 8%. Die Stabilisierung kann ebenfalls durch andere Stabi ^¬ lisatoren erreicht werden.

Jedoch liegt die Porosität der äußeren, keramischen Schicht 18 ^{λ λ} vorzugsweise bei 24% ± 3%.

Die Neuerung ist einerseits die Verstärkung der Laufschaufel ^¬ spitzen 99 mit einem hochtemperaturfähigen und phasenstabilen Material .

Die keramischen Schichten sind sogenannte hochhomogene poröse Schichten .

Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau ^¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf ^¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.

Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel ^¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge ^¬ stellt) .

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge ^¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau- felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab ^¬ strömkante 412 auf.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas- sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken er- folgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.

Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline

Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be- steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil- den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,

Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen

Dichte .

Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .

Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re . Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr0 ₂ , Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid

und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme ^¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die

MCrAlX-Schicht .

Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu ^¬ tet) auf.

Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.

Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations ^¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige

Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.

Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel ^¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125. Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.

An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver ^¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge ^¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .

Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .

Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen- schaufei 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt ^¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden

Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .