EP0589072A1 - Turbolader für Schwerölbetrieb - Google Patents

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EP0589072A1
EP0589072A1 EP92116081A EP92116081A EP0589072A1 EP 0589072 A1 EP0589072 A1 EP 0589072A1 EP 92116081 A EP92116081 A EP 92116081A EP 92116081 A EP92116081 A EP 92116081A EP 0589072 A1 EP0589072 A1 EP 0589072A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protection layer
erosion protection
turbocharger
exhaust gas
turbocharger according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP92116081A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Dr. Gerdes
Carlo M. Maggi
Marcel Zehnder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority to EP92116081A priority Critical patent/EP0589072A1/de
Priority to PL93300425A priority patent/PL300425A1/xx
Priority to JP5233478A priority patent/JPH084544A/ja
Priority to KR1019930019187A priority patent/KR940007338A/ko
Publication of EP0589072A1 publication Critical patent/EP0589072A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades

Definitions

  • the invention is based on a turbocharger for heavy oil operation with an exhaust gas turbine which is exposed to the eroding effect of abrasive particles and has an erosion protection layer.
  • the invention relates to a state of the art, such as that from a lecture given by E. Müller, BBC Brown, Boveri & Cie., Baden / Switzerland at the SMM Hamburg symposium, September 1984 on the subject of "exhaust gas turbochargers in heavy oil use” results.
  • turbocharger components such as housings, nozzle rings, rotor blades and cover rings, which occur during the combustion of heavy oil in an engine, can cause damage which can impair the operating behavior of the engine or even cause it to fail being able to lead.
  • the invention has for its object to provide a turbocharger which is simple in construction and is characterized by a long service life and low maintenance requirements even when it is exposed to a high concentration of abrasive particles during operation .
  • the turbocharger according to the invention is distinguished from comparable turbochargers according to the prior art in that it is simple and inexpensive and nevertheless has a long service life. This is primarily a result of an easy-to-manufacture, well-adhering and extremely erosion-resistant surface, but is also due to the fact that the surface coating is primarily provided in areas of the turbocharger that not only have the direct but also the indirect effect of abrasive residues from the exhaust gas heavy oil powered engine is exposed.
  • Another advantage of the turbocharger according to the invention is that the erosion protection layers have a thermal insulation effect and thereby protect the material carrying the layers from thermal shocks.
  • FIG. 1 shows a turbocharger with an axially flowing exhaust gas turbine 1 and a compressor 2.
  • Exhaust gases from a motor (not shown) operated with heavy oil are guided in the direction of an arrow (not designated) via a gas inlet duct 3 into the exhaust gas turbine 1 of the turbocharger.
  • a gas inlet duct 3 After flowing through a nozzle ring 5 attached to an annular gas outlet flange 4 of the gas inlet channel 3, the exhaust gas is guided in the axial direction against the blades 6 of a turbine wheel 7, which is arranged on a common shaft 9 with a compressor wheel 8 provided in the compressor 2.
  • the nozzle ring 5 is adjoined by a cover ring 11 which delimits the turbine wheel 7 in the radial direction with almost no gap and is fastened to a housing 10 of the exhaust gas turbine 1.
  • the exhaust gas After flowing through the exhaust gas turbine 1, the exhaust gas is guided outward from the housing 10 of the exhaust gas turbine 1 in the direction of an arrow 12. Air flowing in the direction of arrows 13 is supplied to the compressor 2. This air is compressed by the compressor wheel 8 driven by the shaft 9. The compressed air is directed in the direction of arrows 14 into a duct 15 acting on the motor.
  • the surface areas of the exhaust gas turbine 1 which are exposed to the action of the abrasive particles are provided with an erosion protection layer which is applied to the protective layer-free surface of the exhaust gas turbine 1 in a thermal spraying process and contains carbide hard materials.
  • Such an erosion protection layer increases the erosion resistance of the exhaust gas turbine 1 and thus the lifespan of the turbocharger according to the invention compared to turbochargers with uncoated exhaust gas turbines by a multiple.
  • erosion protection layers 16 are provided on the components shown in FIGS. 2-6:
  • the erosion protection layer 16 is applied to an annular edge 17 adjoining the nozzle ring 5 and to the inner surface 18 of the cover ring 11.
  • This inner surface 18 is particularly strongly exposed to the eroding effect of the abrasive particles thrown tangentially outward from the turbine wheel 7 during operation of the turbocharger and should be of particularly thick design.
  • the erosion protection layer 16 is arranged in such a way that it forms at least part of the surface of the turbine wheel 7 in the region of the abrasive particles impinging on the turbine wheel 7 during operation of the turbocharger. At least the erosion protection layer 16 forms the surface of the tip 19 of the blade 6 in the region of the leading edge 20 of the blade 6 in each of the blades of the turbine wheel 7.
  • the erosion protection layer 16 is located at a nozzle-shaped constriction and at a cone-shaped widening which follows downstream of the constriction and extends towards the nozzle ring 5.
  • the erosion protection layer 16 forms at least the surfaces of the trailing edges 24, the surfaces of the sides of the guide blades 21 facing the turbine wheel 7 and the surfaces the sides of the retaining rings 22, 23 facing the turbine wheel 7.
  • the housing When there is a radial flow against the exhaust gas turbine, it is expedient to provide the housing with the erosion protection layer 16 at all points exposed to the eroding effect of the abrasive particles. If - as shown in FIG. 7 - the housing 10 surrounds the turbine wheel (not shown) in a spiral, in this embodiment of the turbocharger according to the invention the erosion protection layer 16 forms at least part of the inner surface of the housing 10 facing the turbine wheel.
  • An erosion protection layer is particularly recommended, which in addition to carbide has a matrix material made of a material with a comparatively high ductility compared to carbide as well as with long-term stability at the exhaust gas temperatures and with good adhesion to the protective layer-free material of the exhaust gas turbine 1.
  • the proportion of the matrix material should be considered the erosion control layer is at most 35 percent by weight, preferably between 15 and 25 percent by weight.
  • Such matrix materials not only have great stability at an exhaust gas temperature of possibly 700 ° C. and good adhesion to the materials used for the components of the exhaust gas turbine 1, they also bring about an elastic storage of the erosion-resistant, brittle and hard carbide particles, of which special Erosion and temperature resistant chromium carbide Cr3C2 has
  • the thermally sprayed erosion protection layer should have a thickness of between 50 and 300 ⁇ m, depending on the position in the exhaust gas turbine 1. At the turbine wheel 7, d. H. in particular at the tips 19 of the blades 6, it is sufficient if the thickness of the erosion protection layer 16 is at most 150 ⁇ m.
  • erosion protection layers of the same composition and same thickness were applied to comparable components of the exhaust gas turbine 1, such as the blades 6, and the quality of the applied protection layer was determined by measuring the relative erosion removal.
  • the erosion protection layer contained 20 to 25 percent by weight NiCr as the matrix material, in which the rest Cr3C2 was embedded in powder form. It was found that in all of these erosion protection layers applied by thermal spraying, there is a four to five-fold reduction in erosion removal compared to an erosion protection layer that is produced using a different method, for example by baking in an enamel has been.
  • erosion protection layers which were applied by plasma spraying
  • erosion protection layers which were applied by detonation spraying or by high-speed flame spraying, show an approximately 20% lower erosion removal.
  • An additional reduction of the erosion removal could be achieved with all thermally sprayed layers, which contained a certain matrix material, by a subsequent heat treatment.
  • the erosion removal of an erosion protection layer with CoCrAlY as a matrix material could be reduced by almost half compared to an untreated erosion protection layer after a 40-hour heat treatment at 400 ° C or a 4-hour heat treatment at 600 ° C. After 1000 hours of heat treatment at approx. 700 ° C, ie practically under operating conditions, this erosion removal was reduced by a few percent.

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Abstract

Der Turbolader ist für Schwerölbetrieb bestimmt. Er weist eine der erodierenden Wirkung abrasiver Teilchen ausgesetzte Abgasturbine auf. Auf mindestens einen Teil der schutzschichtfreien Oberfläche der Abgasturbine ist in einem thermischen Spritzverfahren eine Erosionsschutzschicht (16) aufgebracht. Diese Erosionsschutzschicht (16) enthält karbidische Hartstoffe. Ein solcher Turbolader ist einfach aufgebaut und zeichnet sich selbst dann durch eine hohe Lebensdauer und einen geringen Wartungsbedarf aus, wenn er im Betrieb einer hohen Konzentration an abrasiven Teilchen ausgesetzt ist. <IMAGE>

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Turbolader für Schwerölbetrieb mit einer der erodierenden Wirkung abrasiver Teilchen ausgesetzten und eine Erosionsschutzschicht aufweisenden Abgasturbine.
    • STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus einem von E.Müller, BBC Brown, Boveri & Cie., Baden/Schweiz beim Symposium SMM Hamburg, Sept.1984 gehaltenen Vortrag zum Thema "Abgasturbolader im Schweröleinsatz" ergibt. Nach diesem Stand der Technik können die bei der Verbrennung von Schweröl in einem Motor auftretenden, korrodierend und erodierend wirkenden Abgasrückstände an Turboladerbauteilen, wie Gehäusen, Düsenringen, Laufschaufeln und Abdeckringen, Beschädigungen hervorrufen, welche zu einer Beeinträchtigung des Betriebsverhaltends des Motors oder sogar zu dessen Ausfall führen können. Deswegen wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die korrodierende und erodierende Wirkung der Abgasrückstände durch Aufbereitung des Schweröls vor der Verbrennung, durch geeignete Strömungsführung im Turbolader, durch geeignete Werkstoffe für die Komponenten des Turboladers sowie durch das Aufbringen von Korrosions- und Erosionsschutzschichten auf die den Abgasrückständen ausgesetzten Oberflächen des Turboladers zu bekämpfen.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader zu schaffen, welcher einfach aufgebaut und sich selbst dann durch eine hohe Lebensdauer und einen geringen Wartungsbedarf auszeichnet, wenn er im Betrieb einer hohen Konzentration an abrasiven Teilchen ausgesetzt ist.
  • Der Turbolader nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Turboladern nach dem Stand der Technik dadurch aus, dass er einfach und kostengünstig ist und dennoch eine hohe Lebensdauer aufweist. Dies ist vor allem eine Folge einer leicht herzustellenden, gut haftenden und äusserst erosionsbeständigen Oberfläche, ist aber auch dadurch bedingt, dass die Oberflächenbeschichtung vorwiegend in Bereichen des Turboladers vorgesehen ist, welche nicht nur der direkten, sondern auch der indirekten Wirkung abrasiver Rückstände des Abgases des schwerölbetriebenen Motors ausgesetzt ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Turboladers besteht darin, dass die Erosionsschutzschichten wärmedämmend wirken und dadurch den die Schichten tragenden Werkstoff vor Thermoschocks schützen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigt:
    • Fig.1
    eine Aufsicht auf eine teilweise im Schnitt dargestellte erste Ausführungsform des Turboladers nach der Erfindung,
    Fig.2
    eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine als Abdeckring ausgeführte Komponente des Turboladers nach Fig.1,
    Fig.3
    eine Frontansicht einer Turbinenschaufel, welche in den als Abgasturbine ausgebildeten Teil des Turboladers gemäss Fig.1 eingebaut ist,
    Fig.4
    eine Aufsicht auf einen längs IV - IV geführten Schnitt durch die Turbinenschaufel gemäss Fig.3,
    Fig.5
    eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen Teil eines Düsenringes und einen Teil eines den Düsenring tragenden Gasaustrittsflansches des Turboladers nach Fig.1,
    Fig.6
    eine Ansicht des Düsenringes gemäss Fig.5 in axialer Richtung, und
    Fig.7
    ein Gehäuse einer als Spirallader ausgebildeten zweiten Ausführungsform des Turboladers nach der Erfindung.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In Fig.1 ist ein Turbolader mit einer axial angeströmten Abgasturbine 1 und einem Verdichter 2 dargestellt. Von einem nicht gezeigten, mit Schweröl betriebenen Motor werden in Richtung eines nicht bezeichneten Pfeiles Abgase über einen Gaseintrittskanal 3 in die Abgasturbine 1 des Turboladers geführt. Das zugeführte Abgas wird nach Durchströmen eines an einem ringförmigen Gasaustrittsflansch 4 des Gaseintrittskanals 3 angebrachten Düsenringes 5 in axialer Richtung gegen die Schaufeln 6 eines Turbinenrades 7 geführt, welches mit einem im Verdichter 2 vorgesehenen Verdichterrad 8 auf einer gemeinsamen Welle 9 angeordnet ist. An den Düsenring 5 schliesst sich ein das Turbinenrad 7 in radialer Richtung nahezu spaltfrei begrenzender und an einem Gehäuse 10 der Abgasturbine 1 befestigter Abdeckring 11 an. Nach Durchströmen der Abgasturbine 1 wird das Abgas in Richtung eines Pfeiles 12 aus dem Gehäuse 10 der Abgasturbine 1 nach aussen geführt. Dem Verdichter 2 wird in Richtung von Pfeilen 13 strömende Luft zugeführt. Diese Luft wird durch das über die Welle 9 angetriebene Verdichterrad 8 komprimiert. Die komprimierte Luft wird in Richtung von Pfeilen 14 in einen auf den Motor wirkenden Kanal 15 geleitet.
  • Beim Betrieb des Motors mit Schweröl treten in dessen Abgas je nach Zusammensetzung des Schweröls und nach Lastpunkt des Motors mehr oder weniger grosse Konzentrationen an harten, abrasiven Teilchen auf. Diese Teilchen erodieren beim direkten Aufprallen auf bewegliche Komponenten der Abgasturbine 1, wie das Turbinenrad 7 mit seinen Schaufeln 6, und auf statische Komponenten der Abgasturbine 1, wie den Gasaustrittsflansch 4, den Düsenring 5 und den Abdeckring 11, die Oberflächen der betroffenen Komponenten. Besonders starke Erosionswirkungen treten vor allem in Oberflächenbereichen von statischen Komponenten der Abgasturbine 1 auf, welche im Aufprallbereich der bei Betrieb des Turboladers vom Turbinenrad 7 zurückgeschleuderten abrasiven Teilchen liegen. Die der Wirkung der abrasiven Teilchen ausgesetzten Oberflächenbereiche der Abgasturbine 1 sind mit einer auf der schutzschichtfreien Oberfläche der Abgasturbine 1 in einem thermischen Spritzverfahren aufgebrachten und karbidische Hartstoffe enthaltenden Erosionsschutzschicht versehen. Eine solche Erosionsschutzschicht erhöht die Erosionsbeständigkeit der Abgasturbine 1 und damit die Lebensdauer des Turboladers nach der Erfindung gegenüber Turboladern mit unbeschichteten Abgasturbinen um ein Vielfaches.
  • Beim Turbolader gemäss Fig.1 sind Erosionsschutzsschichten 16 an den in den Figuren 2-6 dargestellten Komponenten vorgesehen:
    Bei dem in Fig.2 dargestellten Abdeckring 11 des Turboladers gemäss Fig.1 ist die Erosionsschutzschicht 16 auf einer an den Düsenring 5 anschliessenden ringförmigen Kante 17 sowie auf der Innenfläche 18 des Abdeckringes 11 aufgebracht. Diese Innenfläche 18 ist der erodierenden Wirkung der bei Betrieb des Turboladers vom Turbinenrad 7 tangential nach aussen geschleuderten abrasiven Teilchen besonders stark ausgesetzt und sollte besonders dick ausgebildet sein.
  • Bei der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Schaufel des Turbinenrades 7 ist die Erosionsschutzschicht 16 derart angeordnet, dass sie mindestens einen Teil der Oberfläche des Turbinenrades 7 im Bereich der bei Betrieb des Turboladers auf das Turbinenrad 7 aufprallenden abrasiven Teilchen bildet. Zumindest bildet die Erosionsschutzschicht 16 bei jeder der Schaufeln des Turbinenrades 7 die Oberfläche der Spitze 19 der Schaufel 6 im Bereich der Eintrittskante 20 der Schaufel 6.
  • Bei dem in Fig.5 gezeigten Gasaustrittsflansch 4 befindet sich die Erosionsschutzschicht 16 an einer düsenförmigen Engstelle und an einer sich stromabwärts der Engstelle anschliessenden und zum Düsenring 5 hin erstreckten konusförmigen Erweiterung.
  • Bei dem in den Figuren 5 und 6 abgebildeten Düsenring 5 mit statischen Leitschaufeln 21 und zwei die Leitschaufeln 21 fixierenden Halteringen 22, 23 bildet die Erosionsschutzschicht 16 zumindest die Oberflächen der Austrittskanten 24, die Oberflächen der dem Turbinenrad 7 zugewandten Seiten der Leitschaufeln 21 sowie die Oberflächen der dem Turbinenrad 7 zugewandten Seiten der Halteringe 22, 23.
  • Bei radialer Anströmung der Abgasturbine ist es zweckmässig, deren Gehäuse an allen der erodierenden Wirkung der abrasiven Teilchen ausgesetzten Stellen mit der Erosionsschutzschicht 16 zu versehen. Umgibt - wie in Fig.7 dargestellt ist - das Gehäuse 10 das nicht gezeigte Turbinenrad spiralförmig, so bildet bei dieser Ausführungsform des Turboladers nach der Erfindung die Erosionsschutzschicht 16 zumindest einen Teil der dem Turbinenrad zugewandten Innenfläche des Gehäuses 10.
  • Besonders zu empfehlen ist eine Erosionsschutzschicht, welche neben Carbid einen Matrixwerkstoff aufweist aus einem Material mit einer gegenüber Carbid vergleichsweise hohen Duktilität sowie mit hoher Langzeitstabilität bei den Abgastemperaturen und mit guter Haftung auf dem schutzschichtfreien Material der Abgasturbine 1. Hierbei sollte der der Anteil des Matrixwerkstoffes an der Erosionsschutzschicht höchstens 35 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 15 und 25 Gewichtsprozent, betragen. Als Matrixwerkstoff besonders geeignet ist eine nickelhaltige Legierung und/oder intermetallische Verbindung, wie insbesondere NiCr und/oder NiCrAlY. Hervorragend geeignet ist auch ein CoCrAlY und/oder FeCrAlY enthaltender Matrixwerkstoff. Solche Matrixwerkstoffe weisen nicht nur eine grosse Stabilität bei gegebenenfalls 700°C betragender Abgastemperatur und eine gute Haftung auf den für die Komponenten der Abgasturbine 1 verwendeten Werkstoffe auf, sie bewirken zudem eine elastische Lagerung der erosionsbeständigen, spröden und harten Carbidteilchen, von denen sich als besonders erosions- und temperaturbeständig Chromcarbid Cr₃C₂ bewährt hat.
  • Als thermische Spritzverfahren bewährt haben sich Detonationspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. Um einen ausreichenden Schutz gegen Erosion zu bieten und dennoch gut auf den zu schützenden Oberflächen der Komponenten der Abgasturbine 1 zu haften, sollte die thermisch aufgespritzte Erosionsschutzschicht je nach Lage in der Abgasturbine 1 eine Dicke zwischen 50 und 300 µm aufweisen. Am Turbinenrad 7, d. h. insbesondere an den Spitzen 19 der Schaufeln 6, reicht es aus, wenn die Dicke der Erosionsschutzschicht 16 höchstens 150 µm beträgt.
  • Mittels verschiedener thermischer Spritzverfahren, wie Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren, Detonationsverfahren und Plasmaspritzen, wurden an vergleichbaren Komponenten der Abgasturbine 1, wie etwa den Schaufeln 6, Erosionsschutzschichten gleicher Zusammensetzung und gleicher Dicke aufgetragen und die Güte der aufgetragenen Schutzschicht durch Messung des relativen Erosionsabtrags ermittelt. Die Erosionsschutzschicht enthielt 20 bis 25 Gewichtsprozent NiCr als Matrixwerkstoff, in welchen als Rest Cr₃C₂ in Pulverform eingebettet war. Hierbei zeigte es sich, dass bei allen diesen durch thermisches Spritzen aufgetragenen Erosionsschutzschichten eine Verringerung des Erosionsabtrags um das vier- bis fünffache eintritt gegenüber einer Erosionsschutzschicht, die nach einem abweichenden Verfahren, etwa durch ein Einbrennen eines Emails, erzeugt wurde. Gegenüber Erosionsschutzschichten, die durch Plasmaspritzen aufgebracht wurden, weisen Erosionsschutzschichten, die durch Detonationspritzen oder durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebracht wurden, einen um ca. 20% geringeren Erosionsabtrag auf.
  • Eine zusätzliche Verringerung des Erosionsabtrags konnte bei allen thermisch aufgespritzten Schichten, die einen bestimmten Matrixwerkstoff, enthielten, durch eine nachfolgende Wärmebehandlung erreicht werden. So konnte der Erosionsabtrag einer Erosionsschutzschicht mit CoCrAlY als Matrixwerkstoff bereits nach einer 40-stündigen Wärmebehandlung bei 400°C bzw. einer 4-stündigen Wärmebehandlung bei 600°C nahezu um die Hälfte gegenüber einer unbehandelten Erosionsschutzschicht reduziert werden. Nach 1000-stündiger Wärmebehandlung bei ca. 700°C, d. h. praktisch bei Betriebsbedingungen, reduzierte sich dieser Erosionsabtrag noch um einige Prozent.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Abgasturbine
    2
    Verdichter
    3
    Gaseintrittskanal
    4
    Gasaustrittsflansch
    5
    Düsenring
    6
    Schaufel
    7
    Turbinenrad
    8
    Verdichterrad
    9
    Welle
    10
    Gehäuse
    11
    Abdeckring
    12, 13, 14
    Pfeile
    15
    Kanal
    16
    Erosionsschutzschicht
    17
    Kante
    18
    Innenfläche
    19
    Spitze
    20
    Schaufeleintrittskante
    21
    Leitschaufeln
    22, 23
    Halteringe
    24
    Austrittskanten

Claims (16)

  1. Turbolader für Schwerölbetrieb mit einer der erodierenden Wirkung abrasiver Teilchen ausgesetzten und eine Erosionsschutzschicht (16) aufweisenden Abgasturbine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) zumindest teilweise in einem thermischen Spritzverfahren auf mindestens einen Teil der schutzschichtfreien Oberfläche der Abgasturbine (1) aufgebracht ist und karbidische Hartstoffe enthält.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) auf statischen Komponenten der Abgasturbine (1) aufgebracht ist und zumindest im Aufprallbereich der bei Betrieb des Turboladers vom Turbinenrad (7) zurückgeschleuderten abrasiven Teilchen liegt.
  3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei axialer Anströmung des Turbinenrades (7) mit Abgas die Erosionsschutzschicht (16) mindestens einen Teil der Oberfläche bei mindestens einer der folgenden Komponenten bildet:
    ein der Zufuhr des Abgases zum Turbolader dienender Gasaustrittsflansch (4),
    ein statische Leitschaufeln (21) und Halteringe (22, 23) aufweisender und am Gasaustrittsflansch (4) befestigter Düsenring (5), und/oder
    ein das Turbinenrad (7) umgebender Abdeckring (11).
  4. Turbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) des Düsenringes (5) mindestens die Oberflächen der Austrittskanten (24) und die Oberflächen der dem Turbinenrad (7) zugewandten Seiten der Leitschaufeln (21) sowie die Oberflächen der dem Turbinenrad (7) zugewandten Seiten der Halteringe (22, 23) bildet.
  5. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei radialer Anströmung des Turbinenrades mit Abgas aus einem das Turbinenrad spiralförmig umgebenden Gehäuse (10) die Erosionsschutzschicht (16) zumindest einen Teil der dem Turbinenrad zugewandten Innenfläche des Gehäuses (10) bildet.
  6. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) mindestens einen Teil der Oberfläche des Turbinenrades (7) im Bereich der bei Betrieb des Turboladers auf das Turbinenrad (7) aufprallenden abrasiven Teilchen bildet.
  7. Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) mindestens die Oberflächen der Schaufelspitzen (19) des Turbinenrades (7) zumindest im Bereich der Schaufeleintrittskanten (20) bildet.
  8. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) neben Carbid einen Matrixwerkstoff aufweist aus einem Material mit einer gegenüber Carbid vergleichsweise hohen Duktilität sowie mit hoher Langzeitstabilität bei den Abgastemperaturen und mit guter Haftung auf dem schutzschichtfreien Material der Abgasturbine (1).
  9. Turbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Matrixwerkstoffes an der Erosionsschutzschicht (16) höchstens 35 Gewichtsprozent beträgt.
  10. Turbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Matrixwerkstoffes an der Erosionsschutzschicht (16) zwischen 15 und 25 Gewichtsprozent beträgt.
  11. Turbolader nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff Nickel enthält.
  12. Turbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff NiCr und/oder NiCrAlY enthält.
  13. Turbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff CoCrAlY und/oder FeCrAlY enthält.
  14. Turbolader nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbid Cr₃C₂ ist.
  15. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzschicht (16) durch Detonationspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen in einer Dicke zwischen 50 und 300 µm aufgebracht ist.
  16. Turbolader nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Erosionsschutzschicht (16) am Turbinenrad (7) höchstens 150 µm beträgt.
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