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Dokumentenidentifikation DE102005058324A1 14.06.2007
Titel Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Däubler, Manfred A., Dr., 85221 Dachau, DE
DE-Anmeldedatum 07.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005058324
Offenlegungstag 14.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2007
IPC-Hauptklasse F01D 11/12(2006.01)A, F, I, 20051207, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01D 9/00(2006.01)A, L, I, 20051207, B, H, DE   C23C 4/04(2006.01)A, L, I, 20051207, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags, wobei auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, ein metallischer Einlaufbelag bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß wird der bereitgestellte Einlaufbelag zur Verbesserung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Turbomaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, umfassen in der Regel mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Turbomaschinen die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich hohe absolute Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet wird.

Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in das Gehäuse wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Spitzen der Laufschaufeln an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern.

Eine andere Möglichkeit, den Verschleiß an den Spitzen der Laufschaufeln zu vermeiden und für eine optimierte Abdichtung zwischen den Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse zu sorgen, besteht in der Beschichtung des Gehäuses mit einem sogenannten Einlaufbelag. Bei einem Materialabtrag an einem Einlaufbelag wird der Radialspalt nicht über den gesamten Umfang vergrößert, sondern in der Regel nur sichelförmig. Hierdurch wird ein Leistungsabfall des Triebwerks vermieden. Gehäuse mit einem Einlaufbelag sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Aus dem Stand der Technik bekannte Einlaufbeläge für Verdichter werden üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der über thermisches Spritzen auf ein statorseitiges Bauteil des Gehäuses aufgetragen wird. Im Betrieb einer Turbomaschine ist jedoch festzustellen, dass sich abhängig von der Betriebstemperatur das Einlaufverhalten solcher Einlaufbeläge derart verändert, dass dieselben bei steigenden Betriebstemperaturen eine zunehmende Härte aufweisen, wodurch die Gefahr von Beschädigungen der in den Einlaufbelag anstreifenden Laufschaufeln besteht. Es besteht daher ein Bedarf an Einlaufbelägen, die über den gesamten Bereich der auftretenden Betriebstemperaturen eine angepasste Härte und damit gute Einlauffähigkeit aufweisen, sodass die Gefahr von Beschädigungen der Laufschaufeln beim Anstreifen in den Einlaufbelag reduziert wird.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird der bereitgestellte Einlaufbelag zur Verbessung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen. Der erfindungemäß hergestellte Einlaufbelag findet bevorzugt in Verdichtern oder in Niederdruckturbinen Verwendung.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, einen z.B. bei einer Neufertigung bzw. Reparatur bereitgestellten Einlaufbelag zur Verbesserung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Durch die Wärmebehandlung wird bei metallischen Einlaufbelägen die Aushärtung und die Oxidation der metallischen Matrix vorgeprägt, wodurch letztendlich die gewünschte Härte des Einlaufbelags eingestellt und die Einlauffähigkeit des Einlaufbelags verbessert und stabilisiert wird. Durch die Wärmebehandlung des bereitgestellten Einlaufbelags wird derselbe sozusagen einem künstlichen Alterungsprozess unterzogen, sodass derselbe im späteren Betrieb ein stabiles Einlaufverhalten aufweist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Wärmebehandlung bei einer Prozesstemperatur durchgeführt, die oberhalb der Temperatur liegt, welcher der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine maximal ausgesetzt wird. Die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung liegt dabei um 50°C bis 200°C oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags. Die Prozesszeitdauer der Wärmebehandlung liegt zwischen 1 Stunde und 200 Stunden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der bereitgestellte Einlaufbelag vor der Wärmebehandlung in einer chemischen Lösung bzw. einem chemischen Bad gespült. Hierdurch kann die Prozesszeitdauer der nachfolgenden Wärmebehandlung verkürzt werden.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere auf einem Gehäuseabschnitt eines Gasturbinenflugtriebwerks. Erfindungsgemäß wird nach Bereitstellen eines Einlaufbelags bei der Neuteilfertigung oder Reparatur der bereitgestellte Einlaufbelag zur Optimierung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung wird dabei bei einer Prozesstemperatur durchgeführt, die oberhalb der Temperatur liegt, welcher der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine maximal ausgesetzt wird. Hierdurch kann bei Einlaufbelägen aus einem metallischen Werkstoff, also bei metallischen Einlaufbelägen, die Aushärtung sowie die Oxidation der metallischen Matrix vorgeprägt werden, sodass der Einlaufbelag über eine verbesserte sowie stabilisierte Einlauffähigkeit verfügt. Die Härte der metallischen Einlaufbeläge wird durch die Wärmebehandlung, die bei einer Prozesstemperatur oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags durchgeführt wird, derart optimiert, dass der Einlaufbelag auch bei hohen Betriebstemperaturen einlauffähig ist und diese Eigenschaft über die Betriebszeit der Turbomaschine beibehält.

Die sich bei der Wärmebehandlung einstellende Härte des Einlaufbelags wird durch eine Überlagerung zweier Effekte bestimmt, nämlich durch die Aushärtung sowie die Oxidation des Einlaufbelags, wobei mit zunehmender Zeitdauer der Wärmebehandlung die Aushärtung die Härte des Einlaufbelags erhöht, die Oxidation hingegen die Härte des Einlaufbelags verringert. Durch gezielte Auswahl der Zeitdauer der Wärmebehandlung kann die Härte des Einlaufbelags exakt eingestellt werden.

Als metallischer Einlaufbelag wird vorzugsweise ein poröser Einlaufbelag aus einem NiCrAl-Werkstoff oder aus einem CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff durch thermischen Spritzen bereitgestellt, welcher anschließend der Wärmebehandlung unterzogen wird.

Die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung liegt um 50°C bis 200°C, vorzugsweise um 100°C bis 150°C, oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags.

Wird der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine z.B. Betriebstemperaturen zwischen 450°C und 650°C ausgesetzt, so erfolgt die Wärmebehandlung desselben vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur zwischen 600°C und 800°C. Bei einer maximalen Betriebstemperaturen von 650°C erfolgt die Wärmebehandlung bevorzugt bei 750°C.

Die Wärmebehandlung des bereitgestellten Einlaufbelags wird dabei während einer Prozesszeitdauer zwischen 1 Stunde und 200 Stunden, vorzugsweise während einer Prozesszeitdauer zwischen 2 Stunden und 20 Stunden, durchgeführt. Je höher die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung ist, desto kürzer ist die Prozesszeitdauer derselben.

Bei mehrstufigen Verdichtern, bei welchen die einzelnen Stufen desselben unterschiedlichen maximalen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, ist die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung des Einlaufbelag der jeweiligen Stufe an die entsprechende maximale Betriebstemperatur angepasst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach ein z.B. bei der Neuteilfertigung oder bei der Reparatur bereitgestellter Einlaufbelag im Anschluss an das Bereitstellen desselben einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung erfolgt dabei bei einer Prozesstemperatur, die oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags liegt, und wird für eine an die jeweilige Temperatur angepasste Zeitdauer durchgeführt. Hierdurch wird der bereitgestellte Einlaufbelag einer künstlichen Alterung unterzogen, wodurch letztendlich dessen Einlauffähigkeit optimiert und stabilisiert werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein bereitgestellter, poröser Einlaufbelag vor der Wärmebehandlung in einer chemischen Lösung gespült. Im Anschluss an das Spülen erfolgt eine Trocknung und anschließend die Wärmebehandlung, wobei bedingt durch Kapillareffekte die Lösung nach der Trocknung in Poren des Einlaufbelags verbleibt. Durch das Spülen kann die Prozesszeitdauer der nachfolgenden Wärmebehandlung verkürzt werden, da die Lösung insbesondere die Oxidation der metallischen Matrix unterstützt.

Das Spülen kann z.B. in einer Lösung aus demineralisiertem Wasser und Natriumhydroxid oder Natronlauge erfolgen. Alternativ kann das Spülen in Diethylenglykolmonobutylether oder in einer Lösung aus Natriumhydroxid und Monophenylglykol und Natriumcumolsufonat erfolgen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags, wobei auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, ein metallischer Einlaufbelag bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Einlaufbelag zur Verbessung der Einlauffähigkeit desselben einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Prozesstemperatur durchgeführt wird, die oberhalb der Temperatur liegt, welcher der Einlaufbelag im Betrieb der Turbomaschine maximal ausgesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung um 50 °C bis 200 °C oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags liegt. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung um 100°C bis 150°C oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Einlaufbelags liegt. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung zwischen 600 °C und 800 °C liegt. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung während einer Prozesszeitdauer zwischen 1 Stunde und 200 Stunden durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszeitdauer der Wärmebehandlung zwischen 2 Stunden und 20 Stunden liegt. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszeitdauer der Wärmebehandlung an die Prozesstemperatur der Wärmebehandlung derart angepasst ist, dass die Prozesszeitdauer um so kürzer ist je höher die Prozesstemperatur ist. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als metallischer Einlaufbelag ein poröser Einlaufbelag durch insbesondere thermisches Spritzen bereitgestellt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Einlaufbelag vor der Wärmebehandlung in einer chemischen Lösung gespült wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Spülen eine Trocknung und anschließend die Wärmebehandlung erfolgt. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Einlaufbelag in einer Lösung aus demineralisiertem Wasser und Natriumhydroxid oder Natronlauge gespült wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Einlaufbelag in Diethylenglykolmonobutylether gespült wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Einlaufbelag in einer Lösung aus Natriumhydroxid und Monophenylglykol und Natriumcumolsufonat gespült wird.






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