CH703747B1 - Gasturbinenkomponente mit wenigstens einem gekrümmten Filmkühlungsloch und Verfahren für deren Herstellung. - Google Patents

Abstract

Es wird eine Gasturbinenkomponente (10) bereitgestellt, die wenigstens eine Komponentenwand (12) aufweist mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche (14, 16). Wenigstens ein Filmkühlungsloch (18) erstreckt sich durch die Komponentenwand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen hindurch und hat einen Austrittsbereich (20) an der zweiten Oberfläche der Komponentenwand. Die zweite Oberfläche der Komponente hat in der Nähe des Austrittsbereichs eine nicht-ebene Krümmung. Das Filmkühlungsloch ist an dem Austrittsbereich dergestalt abgeschrägt, dass sich die Krümmung in dem Austrittsbereich an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche der Komponentenwand anpasst und dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich erzeugt. Ein Verfahren wird ebenfalls zum Erzeugen wenigstens eines Filmkühlungsloches (18) in der Gasturbinenkomponente (10) bereitgestellt.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein eine Gasturbinenkomponente mit Filmkühlungslöchern und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

[0002] In einer Gasturbine wird Luft in einem Verdichter verdichtet und mit Brennstoff in einer Brennkammer gemischt und heisses Verbrennungsgas erzeugt. Den Gasen wird in einer Hochdruckturbine (HPT) Energie, die dem Antrieb des Verdichters dient, und in einer Niederdruckturbine (LPT) Energie entzogen, die in einer Turbobläser-Flugzeugtriebwerksanwendung einen Bläser oder für Schiffs- und Industrieanwendungen eine externe Welle antreibt.

[0003] Der Triebwerkswirkungsgrad nimmt mit der Temperatur von Verbrennungsgasen zu. Jedoch erwärmen die Verbrennungsgase die verschiedenen Komponenten entlang ihres Strömungspfads, was wiederum deren Kühlung erfordert, um eine lange Triebwerkslebensdauer zu erzielen. Typischerweise werden die Heissgaspfadkomponenten durch Zapfluft aus dem Verdichter gekühlt. Dieser Kühlungsvorgang verringert den Triebwerkswirkungsgrad, da die Zapfluft nicht im Verbrennungsprozess genutzt wird.

[0004] Die Gasturbinen-Kühltechnik ist ausgereift und umfasst zahlreiche Patente für verschiedene Aspekte von Kühlkreisen und Einrichtungen in den verschiedenen Heissgaspfadkomponenten. Beispielsweise enthält die Brennkammer radial innere und äussere Einsätze, die während des Betriebs eine Kühlung erfordern. Turbinenleitapparate enthalten zwischen Aussen- und Innenbändern gelagerte hohle Leitschaufeln, die ebenfalls eine Kühlung erfordern. Turbinenrotorlaufschaufeln sind hohl und enthalten typischerweise Kühlkreise, wobei die Laufschaufeln von Turbinendeckbändern umgeben sind, welche ebenfalls eine Kühlung erfordern. Die heissen Verbrennungsgase werden durch einen Auslass ausgegeben, der ebenfalls ausgekleidet und geeignet gekühlt sein kann.

[0005] In all diesen exemplarischen Gasturbinentriebwerkskomponenten werden typischerweise dünne Metallwände aus hochfesten Superlegierungsmetallen für eine verbesserte Haltbarkeit genutzt, während gleichzeitig deren Kühlungsbedarf minimiert wird. Verschiedene Kühlkreise und Einrichtungen sind für diese individuellen Komponenten in ihren entsprechenden Umgebungen in der Gasturbine angepasst. Zusätzlich enthalten alle diese Komponenten typischerweise übliche Reihen von Filmkühlungslöchern.

[0006] Ein typisches Filmkühlungsloch ist eine zylindrische Bohrung, die in einem flachen Winkel durch die erhitzte Wand für die Ausgabe eines Kühlluftfilms entlang der Aussenseitenoberfläche der Wand geneigt ist, um eine Wärmeisolation gegenüber den heissen Verbrennungsgasen zu schaffen, die während des Betriebs darüberströmen. Der Film wird in einem flachen Winkel über die Wandaussenoberfläche ausgegeben, um die Wahrscheinlichkeit seines unerwünschten Abrisses zu minimieren, was zu einer Strömungsablösung und einem Verlust der Filmkühlungseffektivität führen würde. Filmkühlungslöcher sind typischerweise in Reihen eng in Abstand angeordneter Löcher angeordnet, welche zusammengefasst einen grossflächigen Kühlluftmantel über die Aussenseitenoberfläche hinweg erzeugen. Jedoch wird, je mehr Löcher zur Erzeugung einer vollständigen Oberflächenabdeckung der Filmkühlungsgrenzschicht erforderlich sind, umso mehr Luft benötigt und dadurch der Triebwerkswirkungsgrad verringert.

[0007] Derzeit nutzen in den Heissgaspfadkomponenten ausgebildete Filmkühlungslöcher gerade Löcher und gerade Fasenmerkmale. Beispielsweise werden diffusorförmige Löcher 2 mit geraden runden Löchern 4 und einer gerade geformten Austrittsschnittfläche 6 in einem unterschiedlichen Winkel hergestellt. Fig. 1 – 4 stellen schematisch herkömmliche Diffusorfilmkühlungslöcher dar. Fig. 1 und 2 stellen ein herkömmliches zurückverlegtes Bläserdiffusor-Filmkühlungsloch dar, in welchem D der Durchmesser des geraden runden Loches 4, LTdie Länge des geraden runden Loches 4, L die Gesamtlänge des Diffusorfilmkühlungsloches, δ der Winkel zwischen einer Innenseitenoberfläche 5 des Austrittsabschnittes 6 des Diffusors und einer Mittellinie 7, und α der Winkel zwischen der Mittellinie und der geraden Aussenseitenoberfläche 8 der filmgekühlten Wand 3 ist. In Fig. 2 ist δ der Winkel zwischen der Mittellinie 7 und der Innenseitenoberfläche 5 des Austrittsabschnittes 6 des Diffusorfilmkühlungsloches. Wie man in den Fig. 1 und 2 sehen kann, verwendet das herkömmliche zurückverlegte Diffusorfilmkühlungsloch gerade Oberflächenfasen in der Richtung des Filmloches und der Strömung. In ähnlicher Weise stellen Fig. 3 und 4 schematisch ein herkömmliches Bläserdiffusorfilmkühlungsloch (gemäss Bezeichnung durch das Bezugszeichen 2) dar, und dieselben Bezugszeichen werden zum Bezeichnen der entsprechenden Merkmale in den Fig. 1 – 4 verwendet. Wie man in den Fig. 3 und 4 sehen kann, verwendet das herkömmliche Bläserdiffusor-Filmkühlungsloch ebenfalls gerade Oberflächenfasen in der Richtung des Filmloches und der Strömung. Die in den Fig. 1 – 4 dargestellten herkömmlichen Bläserdiffusor-Filmkühlungslöcher werden typischerweise durch Elektroerosionsbearbeitung (EDM) mit herkömmlichen Elektroden erzeugt.

[0008] Diese geraden Oberflächenfasen führen zu grossen Einspritzwinkeln und deutlichem Filmabriss bei herkömmlichen Filmkühlungslöchern mit Austrittsabschnitten auf gekrümmten Oberflächen der Heissgaspfadkomponenten. Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, Filmkühlungslöcher mit verringertem Filmabriss zur Verwendung in Heissgaspfadkomponenten bei filmgekühlten, gekrümmten Oberflächen bereitzustellen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0009] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenkomponente, welche wenigstens eine Komponentenwand mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche aufweist. Wenigstens ein Filmkühlungsloch erstreckt sich durch die Komponentenwand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen und hat einen Austrittsbereich an der zweiten Oberfläche der Komponentenwand. Die zweite Oberfläche der Gasturbinenkomponente hat in der Nähe des Austrittsbereichs eine nicht-ebene Krümmung. Das Filmkühlungsloch ist in dem Austrittsbereich dergestalt abgeschrägt, dass sich die Krümmung des Filmkühlungsloches in dem Austrittsbereich an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche der Komponentenwand anpasst und dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich erzeugt.

[0010] Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Erzeugen wenigstens eines Filmkühlungsloches in einer Gasturbinenkomponente mit wenigstens einer Komponentenwand, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist. Die zweite Oberfläche der Gasturbinenkomponente hat in der Nähe des Austrittsbereichs eine nicht-ebene Krümmung. Das Verfahren weist ferner die Schritte der Erzeugung eines geraden Abschnittes in der Komponentenwand dergestalt auf, dass sich der gerade Abschnitt durch die erste Oberfläche erstreckt, und der Abschrägung des Filmkühlungsloches dergestalt, dass sich die Krümmung des Filmkühlungsloches in dem Austrittsbereich an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche der Komponentenwand anpasst und dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich erzeugt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen: Fig. 1 ein herkömmliches zurückverlegtes Bläserdiffusor-Filmkühlungsloch mit geraden Oberflächenfasen in der Richtung des Filmloches und der Strömung darstellt; Fig. 2 eine Draufsichtprojektion auf das zurückverlegte Bläserdiffusor-Filmkühlungsloch von Fig. 1 ist; Fig. 3 ein herkömmliches Bläserdiffusor-Filmkühlungsloch mit geraden Oberflächenfasen in der Richtung des Filmloches und der Strömung darstellt; Fig. 4 eine Draufsichtprojektion auf das Bläserdiffusor-Filmkühlungsloch von Fig. 3 ist; Fig. 5 ein Filmkühlungsloch mit einem gekrümmten Austrittsbereich darstellt, der sich an die konvexe Krümmung der Aussenseitenoberfläche der Komponentenwand gemäss Aspekten der vorliegenden Erfindung anpasst; Fig. 6 zusätzliche Aspekte des Filmkühlungsloches von Fig. 5 darstellt; Fig. 7 schematisch ein Filmkühlungsloch mit einem gekrümmten Austrittsbereich darstellt, der in einer Komponentenwand, die ein Metallsubstrat mit einem Schutzbeschichtungssystem aufweist, gemäss Aspekten der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist; Fig. 8 ein Filmkühlungsloch mit einem gekrümmten Austrittsbereich darstellt, der sich an die konkave Krümmung der Aussenseitenoberfläche der Komponentenwand anpasst; Fig. 9 schematisch in Blockdarstellungsform eine beispielhafte Gasturbine mit verschiedenen Komponenten darstellt, wovon jede eine erhitzte Wand enthält, die wenigstens teilweise durch eine Reihe von Filmkühlungslöchern gekühlt wird; Fig. 10 zwei Filmkühlungslöcher mit gekrümmten Austrittsbereichen darstellt, die sich an die lokale konvexe Krümmung der Aussenseitenoberfläche der Komponentenwand gemäss Aspekten der vorliegenden Erfindung anpassen; Fig. 11 ein Filmkühlungsloch mit einer elliptischen Öffnung darstellt; und Fig. 12 eine Projektion des in Fig. 5 dargestellten Filmkühlungsloches von oben betrachtet ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0012] In Fig. 9 ist eine Gasturbine 100 dargestellt, die um eine Längs- oder Axialmittellinienachse 112 axialsymmetrisch ist. Die Gasturbine enthält in serieller Strömungsverbindung einen Bläser 114, einen mehrstufigen axialen Verdichter 116 und eine ringförmige Brennkammer 118, gefolgt wiederum von einer Hochdruckturbine (HPT) und einer Niederdruckturbine (LPT).

[0013] Die HPT enthält einen Turbinenleitapparat 120 mit einer Reihe hohler Statorleitschaufeln, die in inneren und äusseren Leitapparatbändern gelagert sind. Eine erste Turbinenstufe 122 folgt dem ersten Turbinenleitapparat und enthält eine Reihe von hohlen Rotorlaufschaufeln, die sich radial von einer lagernden Rotorscheibe nach aussen erstrecken und von einem ringförmigen Turbinendeckband umgeben sind.

[0014] Die LPT 124 folgt der HPT und enthält zusätzliche Leitapparate und Rotorlaufschaufeln, welche interne Kühlkreise abhängig von der Auslegung der Gasturbine enthalten können oder auch nicht. In der dargestellten Anordnung folgt der LPT 124 ein Auslasseinsatz 126.

[0015] Während des Betriebs wird Umgebungsluft 128 durch den Bläser 114 verdichtet und der untere Anteil davon tritt in den Verdichter 116 für eine zusätzliche Verdichtung ein, während der äussere Anteil von dem Bläserauslass ausgegeben wird, um in einer Turbobläsertriebwerksanwendung einen Antriebsschub zu erzeugen. Die in dem Verdichter verdichtete Luft wird mit Brennstoff in der Brennkammer zum Erzeugen von heissen Verbrennungsgasen 130 gemischt. Die Verbrennungsgase strömen durch die verschiedenen Turbinenlaufschaufelstufen, welche daraus während des Betriebs Energie zum Antrieb des Verdichters und des Bläsers entziehen.

[0016] Es sei angemerkt, dass die in Fig. 9 dargestellte Gasturbine 100 jede beliebige herkömmliche Konfiguration und Betriebsweise haben kann, aber wie hierin beschrieben, modifiziert ist, um eine verbesserte Filmkühlung zu erzeugen. Jede einzelne oder mehrere von den vorstehend offengelegten Heissgaspfad-Gasturbinenkomponenten kann geeignet gekühlt werden, indem ein Anteil der verdichteten Luft aus dem Verdichter 116 während des Betriebs abgezweigt wird.

[0017] Die Heissgaspfadkomponenten enthalten typischerweise eine dünne Wand 12, wovon ein Teil in Fig. 9 als Repräsentant der verschiedenen Komponenten der Gasturbine dargestellt ist, in welchem eine Filmkühlung angewendet werden kann. Die dünne Wand 12 kann aus einem herkömmlichen Superlegierungsmetall, wie z.B. einem Kobalt-basierenden Material, ausgebildet sein, das eine hohe Festigkeit bei den höheren Temperaturen hat, die im Betrieb der Gasturbine aufgrund der Erwärmung von den heissen Verbrennungsgasen 130 auftreten. Insbesondere kann jedes Substrat, welches hohen Temperaturen ausgesetzt ist und Kühlung erfordert, für diese Erfindung verwendet werden. Beispiele umfassen Keramiken oder Metall-basierende Materialien. Nicht einschränkende Beispiele der Metalle oder Metalllegierungen, welche die dünne Wand 12 ausbilden können, umfassen Stahl, Aluminium, Titan; hochtemperaturfeste Metalle wie z.B. Molybdän; und Superlegierungen wie z.B. diejenigen, die auf Nickel, Kobalt oder Eisen basieren. Die dünne Wand 12 kann auch aus einem Verbundmaterial, wie z.B. einem intermetallischen Niob-Silizid-Verbundwerkstoff, aufgebaut sein.

[0018] Die Dicke der Wand 12 variiert abhängig von dem Gegenstand, in welchem sie enthalten ist. In vielen Fällen, z.B. bei vielen Luftfahrtkomponenten, hat die Wand eine Dicke in dem Bereich von etwa 0,508 mm bis etwa 3,810 mm (0,020 Inch bis etwa 0,15 Inch). Bei ortsfesten Komponenten hat die Wand oft eine Dicke in dem Bereich von etwa 1,27 mm bis etwa 7,62 mm (0,050 Inch bis etwa 0,30 Inch).

[0019] Bei der in Fig. 9 dargestellten Anordnung nehmen die Filmkühlungslöcher 18 die Form von V-förmigen Filmkühlungslöchern 18 an. Dieses ist jedoch lediglich ein Beispiel, und die Erfindung umfasst weitere Filmkühlungslöcherkonfigurationen, wie z.B. Diffusoranordnungen und elliptische Anordnungen. Fig. 9 stellt einen Teil der Komponentenwand 12 in einer Ebenenansicht dar. Wie dargestellt, hat die Komponentenwand 12 gegenüberliegende Innen- und Aussenwandoberflächen 14, 16. Die Innen- oder Innenseitenoberfläche 14 der Wand 12 bildet die Aussenbegrenzung eines in der Komponente vorgesehenen geeigneten Kühlkreises, welcher die aus dem Verdichter abgezweigte Luft aufnimmt. Die Aussenseitenoberfläche 16 ist den heissen Verbrennungsgasen 130 während des Betriebs ausgesetzt und erfordert einen geeigneten Filmkühlungsschutz. Aspekte der dargestellten V-förmigen Filmkühlungslöcher 18 werden nachstehend diskutiert.

[0020] Die in Fig. 9 dargestellte exemplarische Komponente 12 kann in der Form der inneren oder äusseren Brennkammereinsätze, der Turbinenleitapparatschaufeln, der Turbinenleitapparatbänder, der Turbinenrotorlaufschaufeln, des Turbinendeckbandes oder der Abgasauskleidung für typische Beispiele vorliegen, welche verschiedene Formen von Filmkühlungslöchern darin nutzen.

[0021] Eine Ausführungsform der Erfindung einer Heissgaspfadkomponente wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 , 6 und 12 beschrieben. Wie es beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, enthält die Komponente 10 wenigstens eine Wand 12 mit einer ersten Oberfläche 14 und einer zweiten Oberfläche 16. Wenigstens ein Filmkühlungsloch 18 erstreckt sich durch die Wand 12 zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 14 und 16 und besitzt einen Austrittsbereich 20 an der zweiten Oberfläche 16 der Komponentenwand 12. Wie es beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, besitzt die zweite (Aussen-)Oberfläche 16 der Komponentenwand eine nicht-ebene Krümmung in der Nähe des Austrittsbereichs 20, und das Filmkühlungsloch 18 ist an dem Austrittsbereich 20 dergestalt abgeschrägt, dass die Krümmung des Filmkühlungsloches 18 sich in dem Austrittsbereich 20 an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche 16 der Komponentenwand 12 anpasst und dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich 20 erzeugt. Da der Austrittsbereich für den Gesamtkühlungswirkungsgrad des Filmloches kritisch ist, verbessert die Erfindung die Kühlung des Filmloches durch die Verwendung einer gekrümmten Oberfläche, um die Austrittsschnittfläche (Form) des Filmloches entlang der Strömungsrichtung zu definieren.

[0022] Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung hat das Filmkühlungsloch 18 eine Innenseitenoberfläche 22 und eine Aussenseitenoberfläche 24 und die zweite (Aussen-)Oberfläche 16 der Komponentenwand 12 ist in der Nähe des Austrittsbereichs 20 konvex. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die Innenseitenoberfläche 22 des Filmkühlungsloches 18 an dem Austrittsbereich 20 abgeschrägt, um den gekrümmten Austrittsbereich 20 auszubilden. Insbesondere weist, wie es beispielsweise in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, das Filmkühlungsloch 20 einen geraden Abschnitt 26 und den gekrümmten Austrittsbereich 20 auf. Siehe auch Fig. 12 , welche eine Projektion auf das in Fig. 5 dargestellte Filmkühlungsloch in der Sicht von oben ist. Die Bezugszeichen A, B und C bezeichnen entsprechende Bereiche für die Fig. 5 und 12 . Wie in Fig. 6 dargestellt, erfolgt der Übergang zwischen dem geraden Abschnitt 26 und dem gekrümmten Austrittsbereich 20 an einem Übergangspunkt 28. Der lokale Krümmungsradius R ́ des Filmkühlungsloches 18 beginnt von einem unendlichen Wert auf die nicht-ebene Krümmung der zweiten (Aussen-)Oberfläche 16 der Komponentenwand 12 in dem Austrittsbereich 20 an dem Übergangspunkt 28 überzugehen. So wie hierin verwendet, sollte der Begriff «unendlich» auch sehr grosse Werte umfassen, die kleinen Abweichungen von einer perfekt geraden Innenseitenoberfläche 22 in dem geraden Abschnitt 26 entsprechen, die als Folge des Bearbeitungsprozesses für den geraden Abschnitt 26 auftreten können. Gemäss spezielleren Anordnungen endet der gekrümmte Austrittsbereich an dem Endpunkt 30 (beispielsweise gemäss Darstellung in Fig. 5 ), und der lokale Krümmungsradius R ́ an einem gegebenen Punkt 32 (wie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt) für das Filmkühlungsloch 18 geht von dem Übergangspunkt 28 zu dem Endpunkt 30 gemäss der Gleichung:

über, wobei F ein skalarer Anpassungsfaktor ist, Smaxder Oberflächenabstand zwischen den Übergangs- und den Endpunkten 28, 30 und S der Abstand zwischen dem Endpunkt 30 und dem gegebenen Punkt 32 ist.

[0023] Eine weitere Beispielfilmkühlungskonfiguration ist in Fig. 8 dargestellt. Bei der in Fig. 8 dargestellten Beispielanordnung hat das Filmkühlungsloch 18 eine Innenseitenoberfläche 22 und eine Aussenseitenoberfläche 24, und die zweite (Aussen-)Oberfläche 16 der Komponentenwand 12 ist in der Nähe des Austrittsbereichs 20 konkav. Wie beispielsweise in Fig. 8 dargestellt, ist die Innenseitenoberfläche 22 des Filmkühlungsloches 18 an dem Austrittsbereich 20 abgeschrägt, um den gekrümmten Austrittsbereich 20 auszubilden. Insbesondere weist das Filmkühlungsloch 18 für die in Fig. 8 dargestellte Beispielanordnung einen geraden Abschnitt 26 und den gekrümmten Austrittsbereich 20 auf. Wie in Fig. 8 dargestellt, erfolgt der Übergang zwischen dem geraden Abschnitt 26 und dem gekrümmten Austrittsbereich 20 an einem Übergangspunkt 28 (wie beispielsweise in Fig. 8 dargestellt). Wie hierin verwendet, ist der lokale Krümmungsradius R ́ für das Filmkühlungsloch 18 von einer Aussenseite der Komponente (gemäss Darstellung in Fig. 8 ) aus definiert. Bei der in Fig. 8 dargestellten Anordnung beginnt der lokale Krümmungsradius R ́ für das Filmkühlungsloch 18 von einem unendlichen Wert auf die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche 16 der Komponente 12 in dem Austrittsbereich 20 an dem Übergangspunkt 28 überzugehen. Gemäss spezielleren Anordnungen endet der gekrümmte Austrittsbereich an einem Endpunkt 30, und der lokale Krümmungsradius R ́ an einem vorgegebenen Punkt 32 für das Filmkühlungsloch 18 geht von dem Übergangspunkt 28 zu dem Endpunkt 30 gemäss Gleichung (1) über.

[0024] Obwohl viele von den Zeichnungen nur ein einziges Kühlloch zur Vereinfachung der Darstellung zeigen, umfasst die Erfindung auch Anordnungen mit mehreren Kühllöchern. Fig. 10 stellt zwei Filmkühlungslöcher mit gekrümmten Austrittsbereichen dar, die sich an die lokale konvexe Krümmung der Aussenoberfläche der Komponentenwand anpassen. Bei dieser Mehrfachlochanordnung erstrecken sich mehrere Filmkühlungslöcher 18 durch die Wand 12 zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 14, 16. Ähnlich zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 , 6 und 8 diskutierten Anordnungen hat jedes von den Filmkühlungslöchern 18 einen (mit dem Bezugszeichen 20 in den Fig. 5 , 6 und 8 bezeichneten) entsprechenden Austrittsbereich an der zweiten Oberfläche 16 der Komponentenwand 12. Wie in Fig. 10 dargestellt, sind die nicht-ebenen Krümmungsradien R1, R2der zweiten Oberfläche der Komponentenwand 12 in der Nähe von wenigstens zwei der Austrittsbereiche 20 für die Filmkühlungslöcher 18 unterschiedlich. Mit anderen Worten, wenigstens zwei von den Kühlungslöchern haben unterschiedliche nicht-ebene Krümmungswerte, sodass R1≠ R2für wenigstens zwei dieser Kühlungslöcher gilt. Zusätzlich und wie in Fig. 10 dargestellt, sind die entsprechenden Innenseitenoberflächen 22 von wenigstens zwei der Filmkühlungslöcher 18 unterschiedlich dergestalt abgeschrägt, dass sich die Krümmungen R1 ́, R2 ́der entsprechenden Filmkühlungslöcher der entsprechenden nicht planaren Krümmung R1, R2der zweiten Oberfläche in den entsprechenden gekrümmten Austrittsbereichen 20 anpassen. Ein Beispiel dieser Mehrfachloch-, Mehrfachkrümmungs-Anordnung ist in Fig. 10 dargestellt, in welcher R1 ́ ≠ R2 ́ ist. Bei dieser Anordnung ändert sich die Krümmung R1 ́, R2 ́ der Aussenseitenoberfläche 16 der Komponentenwand 12 von einer Stelle zur anderen auf der Komponente 10. In ähnlicher Weise unterscheiden sich auch die Krümmung R1 ́, R2 ́ der entsprechenden Filmkühlungslöcher. (Nämlich R1 ́ ≠ R2 ́ für diese Anordnung). In vorteilhafter Weise verringert diese Anordnung den Abriss des Films und verbessert dadurch den Kühlungswirkungsgrad der Komponente.

[0025] Bei weiteren Mehrlochkonfigurationen erstrecken sich mehrere Filmkühlungslöcher 18 durch die Wand 12 zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 14, 16. Ähnlich zu den unter Bezugnahme auf die Fig. 5 , 6 und 8 diskutierten Anordnungen besitzt jedes von den Filmkühlungslöchern 18 einen entsprechenden Austrittsbereich 20 an der zweiten Oberfläche 16 der Komponentenwand 12. Bei dieser speziellen Konfiguration sind die Innenseitenoberflächen 22 der Filmkühlungslöcher 18 identisch abgeschrägt geformt. Diese Anordnung ist ebenfalls in Fig. 10 für den Fall von R1= R2und R1 ́ = R2 ́ dargestellt.

[0026] Wie vorstehend diskutiert und schematisch in Fig. 7 dargestellt, weist die Komponentenwand 12 für viele Anwendungen ein Metallsubstrat 11 auf. Nicht einschränkende Beispiele der Metalle oder Metalllegierungen, welche die dünne Wand 12 ausbilden können, umfassen Stahl, Aluminium, Titan; hochtemperaturfeste Metalle wie z.B. Molybdän; und Superlegierungen, wie z.B. auf Nickel, Kobalt oder Eisen basierende. Bei der in Fig. 7 dargestellten Beispielkonfiguration weist die Komponentenwand 12 ferner wenigstens eine Schutzbeschichtung 13 auf, die wenigstens auf einem Teil des Metallsubstrates 1 angeordnet ist. Insbesondere enthält die Komponentenwand 12 ein Schutzbeschichtungssystem (welches ebenfalls mit dem Bezugszeichen 13 in Fig. 7 bezeichnet ist). Das Schutzbeschichtungssystem 13 enthält typischerweise mehrere Beschichtungslagen, wie z.B. eine oder mehrere Lagen einer Haftbeschichtung oder einer Keramikbeschichtung, wie z.B. eine Wärmebarrierenbeschichtung. Beschichtungen, welche einer Anzahl von Zwecken dienen, können verwendet werden. Häufig werden Beschichtungen, welche einen Wärmeschutz und/oder Oxidationsschutz bereitstellen, angewendet. Als ein Beispiel kann eine keramische Beschichtung 13 auf das Metallsubstrat 11, wie z.B. eine Wärmebarrierenbeschichtung (TBC), die aus Zirkonoxidmaterial wie z.B. Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid besteht, aufgebracht sein. In vielen Fällen wird für Turbinenlaufschaufeln zuerst eine Haftschicht über der Schaufelblattoberfläche aufgebracht, wie z.B. ein Metallaluminid oder MCrAly-Material, in welchem «M» Eisen, Nickel, Kobalt oder Gemische davon sein können. Bei speziellen Konfigurationen befindet sich der gekrümmte Austrittsbereich 20 in der Wärmebarrierenbeschichtung 13. Jedoch erstreckt sich bei dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel der gekrümmte Austrittsbereich 20 in das Substrat 11. Bei der in Fig. 7 dargestellten Beispielanordnung weist das Filmkühlungsloch 20 einen geraden Abschnitt 26 und den gekrümmten Austrittsbereich 20 auf, und der Übergang zwischen dem geraden Abschnitt 26 und dem gekrümmten Austrittsbereich 20 tritt an einem in dem Metallsubstrat 11 befindlichen Übergangspunkt 28 dergestalt auf, dass sich der gekrümmte Austrittsbereich 20 durch die Wärmebarrierenbeschichtung 13 hindurch in das Metallsubstrat 11 erstreckt.

[0027] [0039] Das Filmkühlungsloch 8 kann, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 , 9 und 11 diskutiert, verschiedene Formen annehmen. Der untere Abschnitt von Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer Aussenseitenoberfläche einer Komponentenwand, welche den üblichen Austrittsbereich von drei V-förmigen Filmkühlungslöchern veranschaulicht, welche sich durch die Komponentenwand erstrecken. Bei der in Fig. 9 dargestellten Beispielkonfiguration weist jedes von den Filmkühlungslöchern 18 ein V-förmiges Filmkühlungsloch auf. Bei der Beispielanordnung von Fig. 9 erstreckt sich jedes Filmkühlungsloch 18 in Längsrichtung durch die Wand 12 und divergiert sowohl in Längsrichtung entlang des Loches als auch seitlich quer zur Breite des Loches. Somit erstreckt sich jedes Loch von einem (in Fig. 9 nicht dargestellten) Einlass, der bündig zu der Innenseitenoberfläche 14 der Komponentenwand 12 angeordnet ist, zu einem V-förmigen Auslass 132, der bündig zu der Aussenseitenoberfläche 16 der Komponentenwand 12 angeordnet ist. Ein Anteil der verdichteten Luft aus dem Verdichter wird durch das V-förmige Filmkühlungsloch 18 als Kühlluft 133 geführt, die an dem V-förmigen Auslass 132 austritt. Bei der dargestellten Anordnung von Fig. 9 enthält jedes von den V-förmigen Filmkühlungslöchern 18 eine Einlassbohrung 134. Die Bohrung hat im Wesentlichen eine konstante Strömungsfläche von ihrem Einlassende bis zu ihrem Auslassende. Die Bohrung selbst kann als der Abschnitt des V-förmigen Filmkühlungsloches 18 betrachtet werden, welcher zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch bleibt, d.h., vor dem Beginn des V-förmigen Auslasses. Die Einlassbohrung 134 ist nämlich beispielsweise analog zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 – 8 diskutierten geraden Abschnitt 26 aufgebaut.

[0028] Bei weiteren Konfigurationen weist jedes von den Filmkühlungslöchern 18 ein Diffusor-Filmkühlungsloch auf. Fig. 5 veranschaulicht eine Beispiel-Diffusorfilmkühlungslochanordnung.

[0029] Bei bestimmten Konfigurationen hat jedes von den Filmkühlungslöchern 18 eine elliptische Öffnung 40. Diese Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt. Bei der veranschaulichenden Anordnung ist das Filmkühlungsloch 18 rund, sodass die Öffnung 40 elliptisch ist, wobei sich die Ellipse verlängert, während sie der Krümmung folgt.

[0030] Die vorstehend beschriebenen Filmkühlungslöcher sind insbesondere für gekrümmte Bereiche von Heissgaspfadkomponenten (wie z.B. Turbinenschaufelblätter) nützlich, bei denen eine gerade Oberflächenfase (wie z.B. die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 – 4 diskutierten) zu einem grossen Einspritzwinkel und einem signifikanten Filmabriss führen würden. Durch die Verwendung einer gekrümmten Oberfläche zum Definieren der Austrittsschnittfläche (Form) des Filmloches entlang der Strömungsrichtung erzeugen die Filmkühlungslöcher der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Filmanhaftung und somit einen verbesserten Kühlungswirkungsgrad.

[0031] Ein Verfahren zum Erzeugen wenigstens eines Filmkühlungsloches 18 in einer Komponente 10 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 , 6 , 8 und 12 beschrieben. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 diskutiert, besitzt die Komponente 10 eine Wand 12 mit einer ersten Oberfläche 14 und einer zweiten Oberfläche 16. Wie in Fig. 5 dargestellt, hat die zweite Oberfläche eine nicht-ebene Krümmung in der Nähe des Austrittsbereichs 20 des Filmkühlungsloches 18. Das Verfahren umfasst die Erzeugung eines geraden Abschnittes 26 in der Komponentenwand 12 dergestalt, dass sich der gerade Abschnitt 26 durch die erste Oberfläche 14 der Komponentenwand 12 hindurch erstreckt, und die Abschrägung des Filmkühlungsloches 18 dergestalt, dass sich die Krümmung des Filmkühlungsloches 18 in dem Austrittsbereich 20 an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche 16 der Komponentenwand 12 anpasst, um dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich 20 für das Filmkühlungsloch 18 zu erzeugen. Diese Schritte können mittels einer Vielfalt von Techniken erreicht werden.

[0032] Die Filmkühlungslöcher der vorliegenden Erfindung können erfolgreich mittels verschiedener spezialisierter Techniken unter Verwendung ausgewählter Geräte erzeugt werden. Die Techniken können Wasserstrahlschneidsysteme, Elektroerosionsbearbeitungs-(EDM)-Systeme und Laserbohrsysteme beinhalten. Jedes von diesen Systemen ist in der gemeinsam übertragenen U.S. Patentanmeldung Ser. No. 12/790 675 «Articles which include chevron film cooling holes, and related processes» beschrieben, welches hierin in seiner Gesamtheit durch Verweis beinhaltet ist.

[0033] Beispielsweise weist der Schritt der Erzeugung des geraden Abschnittes 66 einen Bohrvorgang der Komponentenwand auf, wobei das Filmkühlungsloch 18 eine Innenseitenoberfläche 22 und eine Aussenseitenoberfläche 24 besitzt, und wobei der Schritt der Abschrägung des Filmkühlungsloches 20 wenigstens Eines aufweist von: Rastern eines Lasers über die Innenseitenoberfläche 18 in dem Austrittsbereich 20, selektives Lenken eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls (beispielsweise eines abrasiven Wasserstrahls, nämlich Wasser mit darin verteilten abrasiven Partikeln) auf die Innenseitenoberfläche 18 in dem Austrittsbereich 20 und Durchführung einer EDM-Operation an der Innenseitenoberfläche 18 in dem Austrittsbereich 20.

[0034] Eine Anzahl von Bohrtechniken kann zum Erzeugen des geraden Abschnittes 26 verwendet werden. Beispielsweise kann eine Laserbohrvorrichtung verwendet werden. Bei speziellen Konfigurationen erzeugt die Laserquelle wenigstens einen gepulsten Laserstrahl. Ein derartiges System ist in der gemeinsam übertragenen U.S. Patentanmeldung Ser. No. 12/435,547 (Munker et al.), eingereicht am 5. Mai 2009, welches hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit beinhaltet ist, beschrieben. Typischerweise kann der gepulste Laserstrahl eine Impulsdauer von weniger als etwa 50 µs, eine Energie pro Impuls von weniger als 0,1 Joule und eine Wiederholungsrate von grösser als etwa 1000 Hz haben. Das System kann auch eine Vielfalt weiterer Elemente, wie z.B. ein mit der Laserquelle gekoppeltes Steuerungs-Subsystem, enthalten, das dafür konfiguriert ist, die Position des Substrates mit der Pulsdauer und dem Energiepegel zu synchronisieren. Ein derartiges Steuerungs-Subsystem ist vorteilhaft, wenn die Filmkühlungslöcher und gekrümmten Austrittslochgeometrien durch über dem Substrat aufgebrachte Beschichtungen hindurch erzeugt werden.

[0035] Das vorliegende Verfahren ist insbesondere nützlich, wenn der gerade Abschnitt 26 des Filmkühlungsloches 18 durch Laserbohren erzeugt wird. Typischerweise veranlasst die Anwendung von Hochleistungslaserbohrern (z.B. unter Verwendung von Millisekunden-Lasern) die Hersteller dazu, Filmlöcher bei höheren als erwünschten Winkeln zu der lokalen Oberflächentangente aufzubringen. Demzufolge haben Löcher mit geraden Oberflächenfasen (wie z.B. den unter Bezugnahme auf die Fig. 1 – 4 diskutierten) einen besonders hohen Einspritzwinkel und somit einen beachtlichen Filmabriss. Die Verwendung einer gekrümmten Oberfläche zum Definieren der Austrittsschnittfläche (Form) des Filmkühlungsloches entlang der Strömungsrichtung verbesserte deutlich die Filmanhaftung in Bezug auf herkömmliche lasergebohrte Kühllöcher mit gerader Fase.

[0036] Zusätzlich kann der gerade Abschnitt 26 des Filmkühlungsloches 18 unter Anwendung von EDM-Techniken erzeugt werden. EDM-Techniken sind im Fachgebiet bekannt und in einer Anzahl von Verweisstellen, wie z.B. dem US Patent 6 969 817 (Martin Kin-Fei et al.) beschrieben, welches hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit beinhaltet ist. Die Techniken werden manchmal als «EDM-Fräsen», «Funkenbearbeiten» oder «Funkenerodieren» bezeichnet. Im Wesentlichen kann EDM dazu verwendet werden, eine gewünschte Form in einem Substrat oder Werkstück mittels einer Reihe von sich rasch wiederholenden Stromentladungen zu erhalten. Die Entladungen entstehen zwischen zwei Elektroden, die durch eine dielektrische Flüssigkeit getrennt sind und einer elektrischen Spannung ausgesetzt sind.

[0037] Wie vorstehend angemerkt, kann ein Filmkühlungsloch unter Verwendung einer Anzahl von Techniken abgeschrägt werden, welche das Rastern eines Lasers über die Innenseitenoberfläche 18 in dem Austrittsbereich 20, das selektive Lenken eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls auf die Innenseitenoberfläche 18 in dem Austrittsbereich 20 und die Durchführung einer EDM-Operation auf der Innenseitenoberfläche 18 in dem Austrittsbereich 20 beinhalten. Geeignete Laser-Bohrsysteme und EDM-Systeme sind vorstehend diskutiert und detaillierter in der vorstehend erwähnten U.S. Patentanmeldung Ser. No. 12/790 675 diskutiert, welche auch einen Wasserstrahlprozess beschreibt. Wie in der U.S. Patentanmeldung Ser. No. 12/790 675 beschrieben, verwendet der Wasserstrahlprozess im Wesentlichen einen Hochgeschwindigkeitsstrom abrasiver Partikel (z.B. abrasiven «Sand»), der in einem Strom von Hochdruckwasser suspendiert ist. Der Druck des Wassers kann erheblich sein, liegt aber oft in dem Bereich von etwa 345 bis 6207 bar (5000 bis 90 000 psi). Eine Anzahl abrasiver Materialien kann verwendet werden, wie z.B. Granat, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Glaskügelchen. Im Gegensatz zu einigen von den anderen bei Metallen angewendeten Schneidprozessen bringt der Wasserstrahlprozess keine Erwärmung des Substrates in irgendeinem signifikanten Masse mit sich. Daher wird keine «wärmebeeinflusste Zone» auf der Substratoberfläche erzeugt, welche ansonsten die gewünschte Austrittsgeometrie für das Durchtrittsloch nachteilig beeinflussen könnte.

[0038] Das Wasserstrahlsystem kann eine mehrachsige nucomputernumerisch gesteuerte (CNC-)Einheit beinhalten. Die CNC-Systeme sind im Fachgebiet bekannt und ermöglichen eine Bewegung des Schneidwerkzeugs entlang einer Anzahl von X-, Y- und Z-Achsen sowie Rotationsachsen.

[0039] Bei der in den Fig. 5 , 6 und 12 dargestellten Beispielkonfiguration ist die zweite Oberfläche 16 der Komponentenwand in der Nähe des gekrümmten Austrittsbereichs 20 konvex. Bei speziellen Anordnungen weist der Schritt der Abschrägung des Filmkühlungsloches 20 ferner die Steuerung der Laserrasterung, des abrasiven Flüssigkeitsstrahls oder der EDM-Operation dergestalt auf, dass der lokale Krümmungsradius R ́ an einem gegebenen Punkt 32 für das Filmkühlungsloch 18 von dem Übergangspunkt 28 zu dem Endpunkt 30 für den gekrümmten Austrittsbereich 20 gemäss der Gleichung (1) übergeht.

[0040] Bei der in der Fig. 8 dargestellten Beispielkonfiguration ist die zweite Oberfläche 16 der Komponentenwand in der Nähe des gekrümmten Austrittsbereichs 20 konkav. Bei speziellen Anordnungen weist der Schritt der Abschrägung des Filmkühlungsloches 20 ferner die Steuerung der Laserrasterung, des abrasiven Flüssigkeitsstrahls oder der EDM-Operation dergestalt auf, dass der lokale Krümmungsradius R ́ an einem gegebenen Punkt 32 für das Filmkühlungsloch 18 von dem Übergangspunkt 28 zu dem Endpunkt 30 für den gekrümmten Austrittsbereich 20 gemäss der Gleichung (1) übergeht.

[0041] Zusätzlich zu ihrem verbesserten Kühlungswirkungsgrad bieten die Filmkühlungslöcher der vorliegenden Erfindung zusätzliche Vorteile in Bezug auf die herkömmlichen Kühlungslöcher mit gerader Fase. Zum Verringern des Filmabrisses ist die Platzierung herkömmlicher Filmkühlungslöcher auf Heissgaspfadkomponenten derzeit durch die Oberflächenkrümmung eingeschränkt. Herkömmliche Filmlöcher werden nämlich typischerweise in Bereichen einer relativ niedrigen Schaufelblattkrümmung platziert, um den Filmabriss zu reduzieren. Es ist jedoch oft erwünscht, Filmkühlung auf Abschnitten mit hoher Krümmung einer Heissgaspfadkomponente zu haben. Vorteilhafterweise können, da sich die Austrittsbereiche der Filmkühlungslöcher 18 an die Oberflächenkrümmung der Komponente, z.B. das Schaufelblatt (oder Endwand) anpassen, die Löcher in Bereichen mit hoher Schaufelblatt- (oder Endwand-)Krümmung platziert werden.

[0042] Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, soweit sie unter den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.

[0043] Es wird eine Gasturbinenkomponente 10 bereitgestellt, die wenigstens eine Komponentenwand 12 aufweist mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche 14, 16. Wenigstens ein Filmkühlungsloch 18 erstreckt sich durch die Komponentenwand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen hindurch und hat einen Austrittsbereich 20 an der zweiten Oberfläche der Komponentenwand. Die zweite Oberfläche der Komponente hat in der Nähe des Austrittsbereichs eine nicht-ebene Krümmung. Das Filmkühlungsloch ist an dem Austrittsbereich dergestalt abgeschrägt, dass sich die Krümmung in dem Austrittsbereich an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche der Komponentenwand anpasst und dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich erzeugt. Ein Verfahren wird ebenfalls zum Erzeugen wenigstens eines Filmkühlungsloches 18 in der Gasturbinenkomponente 10 bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines geraden Abschnittes 26 in der Komponentenwand 12 dergestalt, dass sich der gerade Abschnitt durch die erste Oberfläche 14 hindurch erstreckt, und die Abschrägung des Filmkühlungsloches dergestalt ist, dass sich die Krümmung in dem Austrittsbereich an die nicht-ebene Krümmung der zweiten Oberfläche 16 der Komponentenwand anpasst und dadurch einen gekrümmten Austrittsbereich für das Filmkühlungsloch erzeugt.

Bezugszeichenliste

[0044] 2 herkömmliches Filmkühlungsloch 3 filmgekühlte Wand 4 gerades Rundloch 5 Innenseitenoberfläche des herkömmlichen Filmkühlungsloches 6 gerade geformte Austrittsschnittfläche 7 Mittellinie des geraden Rundloches 8 gerade Aussenseitenoberfläche der filmgekühlten Wand 10 Komponente 11 Metallsubstrat 12 Komponentenwand 13 Schutzbeschichtung 14 erste Oberfläche der Komponentenwand 16 zweite Oberfläche der Komponentenwand 18 Filmkühlungslöcher 20 Austrittsbereich des Filmkühlungsloches 22 Innenseitenoberfläche des Filmkühlungsloches 24 Aussenseitenoberfläche des Filmkühlungsloches 26 gerader Abschnitt des Filmkühlungsloches 28 Übergangspunkt zwischen dem geraden Abschnitt und dem gekrümmten Austrittsbereich 30 Endpunkt 32 vorgegebener Punkt 40 elliptische Öffnung 100 Gasturbine 112 Längs- oder Axialmittellinienachse 114 Bläser 116 mehrstufiger axialer Verdichter 118 ringförmige Brennkammer 120 Turbinenleitapparat 122 erste Turbinenstufe 124 Niederdruckturbine 126 Auslasseinsatz 128 Umgebungsluft 130 heisse Verbrennungsgase 132 V-förmiger Auslass 133 Kühlluft 134 Einlassbohrung