DE102005040184B4

DE102005040184B4 - Mantelringsegment einer Gasturbine und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102005040184B4
Application number: DE200510040184
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: DE102005040184A1

Abstract

Mantelringsegment einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einem radial innenliegenden Abschnitt (15), der rotierenden Laufschaufeln der Gasturbine zugewandt ist und insbesondere als Einlaufbelagträger dient, und mit einem radial außenliegenden Abschnitt (16), der einem feststehenden Gehäuse der Gasturbine zugewandt ist, wobei das Mantelringsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstoffzusammensetzung desselben beim pulvermetallurgischen Spritzgießen derart angepasst ist, dass in Umfangrichtung gesehen seitliche Abschnitte eine hohe Frettingbeständigkeit aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mantelringsegment einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mantelringsegments einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5, wie beispielsweise aus der Druckschrift DE 102 59 963 A1 bekannt ist.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Turbinenteile des Flugtriebwerks geeignet. Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt. Für die Fertigung bzw. Herstellung von komplexen Bauteilen stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine Alternative dar. Das pulvermetallurgische Spritzgießen ist mit dem Kunststoffspritzguss verwandt und wird auch als Metallform-Spritzen oder Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM-Verfahren) bezeichnet.
Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Flugtriebwerken die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturgradienten auf, was die Spalthaltung erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinen verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfügen die Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Schaufelspitzen wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Schaufelspitzen an den Schaufelspitzen Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen.
Zur Minimierung des Verschleißes an den Schaufelspitzen beim Anstreifen derselben in dem feststehenden Gehäuse ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, dem Gehäuse sogenannte Einlaufbeläge zuzuordnen, in welche die Schaufelspitzen der Laufschaufeln einlaufen können. Derartige Einlaufbeläge sind üblicherweise sogenannten Mantelringsegmenten des Gehäuses zugeordnet, nämlich radial innenliegenden, den Schaufelspitzen zugewandten Abschnitten der Mantelringsegmente. Gehäuseseitige Mantelringsegmente, die als Träger für Einlaufbeläge dienen, werden auch als Shrouds bezeichnet. Solche Shrouds sind aus US 2004/0023056 A1 und aus GB 1 361 814 A bekannt.
Aus der EP 1 013 788 B1 ist ein weiterer solcher Shroud bekannt. Aus dem Stand der Technik bekannte Mantelringsegmente sind entweder aus Titanlegierungen oder Nickellegierungen gebildet und entweder als Schmiedeteile oder Feingussteile ausgeführt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Mantelringsegment einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Mantelringsegment gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Mantelringsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt und eine Werkstoffzusammensetzung beim Spritzen derart angepasst, dass in Umfangrichtung gesehen seitliche Abschnitte des Mantelringsegments eine hohe Frettingbeständigkeit aufweisen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, ein Mantelringsegment einer Gasturbine bzw. einen Shroud durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen und demnach als MIM-Bauteil auszuführen. Hierdurch ergeben sich völlig neue Gestaltungsvarianten für solche Mantelringsegmente einer Gasturbine.
Vorzugsweise wird eine Werkstoffzusammensetzung beim pulvermetallurgischen Spritzgießen derart angepasst, dass ein radial innenliegender Abschnitt des Mantelringsegments eine geringe Reibfestigkeit aufweist, dass ein radial außenliegender Abschnitt des Mantelringsegments eine hohe Oxidationsbeständigkeit und Sulfidationsbeständigkeit aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass der radial innenliegende Abschnitt durch die Schaufelspitzen ausgerieben werden kann, was ein Einlaufen möglich macht.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Werkstoffzusammensetzung desselben beim pulvermetallurgischen Spritzgießen durch Zugabe keramischer Additive, insbesondere keramischer Partikel und/oder keramischer Kurzfasern, derart angepasst, dass das Mantelringsegment eine erhöhte Festigkeit und/oder einen optimierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Mantelringssegments ist in Anspruch 5 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen schematisierten Ausschnitt aus einer Gasturbine im Bereich einer rotierenden Laufschaufel und eines feststehenden Mantelringsegments.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt aus einem Flugtriebwerk im Bereich einer rotierenden Laufschaufel 10 und eines statorseitigen Gehäuses 11, wobei dem Gehäuse 11 Mantelringsegmente 12 zugeordnet sind. Die Mantelringsegmente 12 werden auch als Shrouds bezeichnet und dienen als Träger von Einlaufbelägen, in welche radial außenliegende Schaufelspitzen 13 der Laufschaufeln 10 im Betrieb einlaufen können. Wie 1 zeigt, ist zwischen der Schaufelspitze 13 der dargestellten Laufschaufel 10 und dem dargestellten Mantelringsegment 12 ein Spalt 14 ausgebildet, der zur Optimierung des Wirkungsgrads der Gasturbine so gering wie möglich gehalten werden muss.
Im Betrieb der Gasturbine kann es in Folge von auf die Laufschaufeln 10 wirkenden Fliehkräften sowie in Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen der rotorseitigen Baugruppen sowie statorseitigen Baugruppen zu einem Anstreifen der Schaufelspitzen 13 in das Mantelringsegment 12 kommen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, ein solches Mantelringsegment 12 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen und demnach als MIM-Bauteil auszuführen. Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen ist die Werkstoffzusammensetzung des Mantelringsegments 12 derart einstellbar, dass das Mantelringsegment 12 an einem radial innenliegenden Abschnitt 15, welcher den Schaufelspitzen 13 der rotierenden Laufschaufeln 10 zugewandt ist, eine geringe Reibfestigkeit aufweist und demnach unmittelbar als Einlaufbelag dienen kann.
Weiterhin ist die Werkstoffzusammensetzung beim pulvermetallurgischen Spritzgießen des Mantelringsegments 12 derart einstellbar, dass das Mantelringsegment 12 an einem radial außenliegenden Abschnitt 16, welcher dem feststehenden Gehäuse 11 der Gasturbine zugewandt ist, eine hohe Oxidationsbeständigkeit sowie Sulfidationsbeständigkeit aufweist.
Ferner ist beim pulvermetallurgischen Spritzgießen die Werkstoffzusammensetzung des Mantelringsegments 12 derart anpassbar, dass in Umfangsrichtung gesehen seitliche Abschnitte des Mantelringsegments 12, an welchen benachbarte Mantelringsegmente aneinandergrenzen, eine hohe Frettingbeständigkeit aufweisen.
Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen ist demnach die Werkstoffzusammensetzung des Mantelringsegments 12 in Richtung auf den jeweiligen Abschnitt desselben derart einstellbar, dass das Mantelringsegment 12 an diesem Abschnitt vorbestimmte, gewünschte Eigenschaften aufweist.
Vorzugsweise sind in das Mantelringsegment 12 keramische Additive eingelagert, die beim pulvermetallurgischen Spritzgießen des Mantelringsegments 12 beigemischt werden. Bei den keramischen Additiven handelt es sich vorzugsweise um keramische Partikel oder auch um keramische Kurzfasern, die auch als Keramikwisker bezeichnet werden. Durch die Zugabe solcher keramischer Additive zum Grundwerkstoff des Mantelringsegments kann die Festigkeit des Mantelringsegments 12 erhöht werden.
Weiterhin ist es durch die Zugabe der keramischen Additive möglich, ein Mantelringsegment 12 im Hinblick auf seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart einzustellen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Mantelringsegments 12 an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der übrigen Baugruppen, z. B. der rotorseitigen Laufschaufeln und des feststehenden Gehäuses 11, angepasst ist. Hierdurch können durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingte Größenunterschiede des Spalts 14 minimiert werden.
Wie bereits erwähnt, wird das erfindungsgemäße Mantelringsegment 12 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt. Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen wird in einem ersten Schritt mindestens ein Metallpulver bzw. Hartmetallpulver mit mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls einem Plastifizierungsmittel gemischt, so dass sich eine homogene Masse ausbildet. In dem Fall, in welchem keramische Additive, wie z. B. keramische Partikel und/oder keramische Kurzfasern, in das Mantelringsegment 12 eingelagert werden sollen, werden beim Ausbilden der homogenen Masse die keramischen Additive dem Metallpulver, Bindemittel und ggf. Plastifizierungsmittel beigemischt.
Aus der so bereitgestellten homogenen Masse wird durch Spritzgießen ein Formkörper, ein sogenannter Grünling, für das herzustellende Mantelringsegment gefertigt, wobei dieser Formkörper bereits alle typischen Merkmale des herzustellenden Mantelringsegments aufweist. Insbesondere verfügt der Formkörper über die geometrische Form des herzustellenden Mantelringsegments, jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen, wobei der Anteil an Bindemittel und Plastifizierungsmittel im Formkörper zwischen 20% und 50% beträgt.
Aus dem Formkörper bzw. Grünling wird nachfolgend das Bindemittel und gegebenenfalls das Plastifizierungsmittel ausgetrieben, wobei das Austreiben von Bindemittel und Plastifizierungsmittel auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen kann. Üblicherweise erfolgt dies durch Behandlung mit Lösungsmittel oder durch fraktionierte, thermische Zersetzung bzw. Verdampfung. Das Austreiben des Bindemittels und gegebenenfalls des Plastifizierungsmittels wird auch als Entbinderprozess bezeichnet. Im Anschluss an den Entbinderprozess wird der Formkörper gesintert, wobei während des Sinterns der Formkörper zum Mantelringsegment mit den endgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet bzw. geschrumpft ist.
Während des Sinterns wird der Formkörper verkleinert, wobei die Dimensionen in allen drei Raumrichtungen idealerweise gleichmäßig bzw. kontrolliert schwinden. Der lineare Schwund beträgt abhängig vom Bindemittelgehalt und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 10% und 20%. Das Sintern kann unter einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum durchgeführt werden. Nach dem Sintern liegt das fertige Mantelringsegment vor.
Wie bereits erwähnt, werden gegebenenfalls zur Erhöhung der Festigkeit sowie zur Optimierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beim pulvermetallurgischen Spritzgießen keramische Additive, insbesondere keramische Partikel und/oder keramische Kurzfasern, in die homogene Masse zur Herstellung der Formkörper eingelagert. Nach dem Sintern verbleiben diese keramischen Additive im Mantelringsegment.
Zur Bereitstellung eines Mantelringsegments, welches an den unterschiedlichen Abschnitten über angepasste Eigenschaften verfügt, ist es möglich, die Zusammensetzung der zum Spritzgießen verwendeten, homogenen Masse zu variieren bzw. anzupassen, so dass demnach das herzustellende Mantelringsegment an seiner jeweiligen Oberfläche die gewünschten Eigenschaften aufweist. An dem radial innenliegenden Abschnitt kann so eine hohe Reibfestigkeit und am radial außenliegenden Abschnitt eine hohe Oxidationsbeständigkeit sowie Sulfidationsbeständigkeit bereitgestellt werden. An in Umfangsrichtung gesehen seitlichen Abschnitten des Mantelringsegments kann durch entsprechende Anpassung der Zusammensetzung der zum Spritzgießen verwendeten, homogenen Masse eine hohe Frettingbeständigkeit bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Laufschaufel
11: Gehäuse
12: Mantelringsegment
13: Schaufelspitze
14: Spalt
15: Abschnitt
16: Abschnitt

Claims

Mantelringsegment einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einem radial innenliegenden Abschnitt (15), der rotierenden Laufschaufeln der Gasturbine zugewandt ist und insbesondere als Einlaufbelagträger dient, und mit einem radial außenliegenden Abschnitt (16), der einem feststehenden Gehäuse der Gasturbine zugewandt ist, wobei das Mantelringsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstoffzusammensetzung desselben beim pulvermetallurgischen Spritzgießen derart angepasst ist, dass in Umfangrichtung gesehen seitliche Abschnitte eine hohe Frettingbeständigkeit aufweisen.
Mantelringsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstoffzusammensetzung desselben beim pulvermetallurgischen Spritzgießen derart angepasst ist, dass der radial innenliegende Abschnitt (15) eine geringe Reibfestigkeit aufweist.
Mantelringsegment nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstoffzusammensetzung desselben beim pulvermetallurgischen Spritzgießen derart angepasst ist, dass der radial außenliegende Abschnitt (16) eine hohe Oxidationsbeständigkeit und Sulfidationsbeständigkeit aufweist.
Mantelringsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstoffzusammensetzung desselben beim pulvermetallurgischen Spritzgießen durch Zugabe keramischer Additive, insbesondere keramischer Partikel und/oder keramischer Kurzfasern, derart angepasst ist, dass das Mantelringsegment eine erhöhte Festigkeit und/oder einen optimierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mantelringsegments einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, wobei das Mantelringsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt wird, wobei hierzu mindestens ein Metallpulver mit zumindest einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen ein Formkörper für das Mantelringsegment gefertigt wird, wobei der Formkörper darauffolgend einem Entbinderprozess unterzogen wird, und wobei im Anschluss durch Sintern der Formkörper zu dem Mantelringsegment mit den gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffzusammensetzung des Formkörpers beim Spritzgießen desselben derart angepasst wird, dass in Umfangrichtung gesehen seitliche Abschnitte des herzustellenden Mantelringsegments eine hohe Frettingbeständigkeit aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffzusammensetzung des Formkörpers beim Spritzgießen desselben derart angepasst wird, dass ein radial innenliegender Abschnitt des herzustellenden Mantelringsegments eine geringe Reibfestigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffzusammensetzung des Formkörpers beim Spritzgießen desselben derart angepasst wird, dass ein radial außenliegender Abschnitt des herzustellenden Mantelringsegments eine hohe Oxidationsbeständigkeit und Sulfidationsbeständigkeit aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Nischen der zum Spritzgießen des Formkörpers verwendeten, homogenen Masse zu dem oder jedem Metallpulver und dem oder jedem Bindemittel keramische Additive, insbesondere keramische Partikel und/oder keramische Kurzfasern, beigemischt werden.