CH708570A2 - Gas turbine components with porous cooling features. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein Heissgaspfadbauteil (100) für den Einsatz in einer Gasturbine. Das Heissgaspfadbauteil (100) weist ein Schaufelblatt (110), einen inneren Kühlhohlraum (190) und einen porösen Abschnitt (220) auf, der durch ein Metall-Laser-Schmelzverfahren erzeugt ist. Der poröse Abschnitt (220) kann in das Schaufelblatt (110) eingebaut sein, oder das Schaufelblatt (110) kann getrennt hergestellt und an dem Schaufelblatt (110) angebracht sein.The present invention provides a hot gas path component (100) for use in a gas turbine engine. The hot gas path member (100) includes an airfoil (110), an inner cooling cavity (190) and a porous portion (220) formed by a metal laser fusion process. The porous portion (220) may be incorporated in the airfoil (110) or the airfoil (110) may be made separately and attached to the airfoil (110).
Description
Beschreibung description
[0001 ] Die vorliegende Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter Vertragsnummer DE-FC2605NT42643, erteilt durch das Energieministerium, verfasst. Dem Staat stehen gewisse Rechte der Erfindung zu. The present invention has been drafted with the assistance of the US Government under contract number DE-FC2605NT42643 issued by the Department of Energy. The state has certain rights to the invention.
Technisches Gebiet Technical area
[0002] Die vorliegende Erfindung und das sich daraus ergebende Patent beziehen sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und spezieller auf Gasturbinenbauteile mit porösen Kühlungsabschnitten, die durch Metall-Laser-Schmelzherstellungstechniken und dergleichen erzeugt sind. The present invention and the resulting patent relate generally to gas turbine engines and, more particularly, to gas turbine components having porous cooling sections produced by metal laser melting techniques and the like.
Hintergrund zu der Erfindung Background to the invention
[0003] Gasturbinensysteme werden häufig auf Gebieten wie beispielsweise Leistungserzeugung eingesetzt. Die Gesamtleistung und der Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine kann im Allgemeinen durch eine Erhöhung innerer Verbrennungstemperaturen gesteigert werden. Die Bauteile, die den hohen Temperaturen in dem Heissgaspfad ausgesetzt sind, müssen allerdings gekühlt werden. Beispielsweise können ein Schaufelblatt und andere Bauteile eines Leitapparats und dergleichen in dem Heissgaspfad angeordnet und den verhältnismässig hohen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt sein. Es kann daher ein Kühlstrom aus dem Verdichter oder andernorts abgezweigt und an die unterschiedlichen Bauteile in dem Heissgaspfad ausgegeben werden. Gas turbine systems are often used in areas such as power generation. The overall performance and overall efficiency of a gas turbine can generally be increased by increasing internal combustion temperatures. However, the components that are exposed to the high temperatures in the hot gas path must be cooled. For example, an airfoil and other components of a nozzle and the like may be disposed in the hot gas path and exposed to the relatively high combustion temperatures. Therefore, a cooling flow may be branched from the compressor or elsewhere and output to the different components in the hot gas path.
[0004] Vielfältige Verfahren können zur Kühlung der Schaufelblätter und der sonstigen Bauteile genutzt werden. Diese Verfahren können beinhalten: Leiten eines Kühlstroms auf der Innenseite der Komponente, Leiten des Kühlstroms durch eine Prallhülse, der auf den Strom auf der Rückseite der Komponente prallt, um den Wärmeübertragungskoeffizienten darin zu steigern, Leiten des Kühlmittels durch Kühlungslöcher zu der Aussenseite der Komponente, um das Kühlmittel konvektiv zu kühlen und aus den Kühlungslöchern als Film zu entlassen, um eine Schicht von Kühlluft über der Aussenseite bereitzustellen, so dass Aussentemperaturen verringert werden. Obwohl die Verwendung dieser Verfahren eine angemessene Kühlung für die Schaufelblätter vorsehen kann, ist eine weitere Steigerung der Kühlungseffizienz gewünscht. Eine solche Erhöhung des Wirkungsgrades würde eine Verringerung der Kühlströme ermöglichen, die für die Kühlung der Schaufelblätter und anderer Bauteile erforderlich sind, und würde zusätzlich eine Verringerung der Emissionen und/oder eine Steigerung der Zündtemperaturen ermöglichen. Various methods can be used for cooling the blades and other components. These methods may include: directing a cooling flow on the inside of the component, directing the cooling flow through an impingement sleeve that impacts the flow on the backside of the component to increase the heat transfer coefficient therein, directing the coolant through cooling holes to the outside of the component, to convectively cool the coolant and release it from the cooling holes as a film to provide a layer of cooling air over the outside so that outside temperatures are reduced. Although the use of these methods may provide adequate cooling for the airfoils, a further increase in cooling efficiency is desired. Such an increase in efficiency would allow for a reduction in the cooling flows required to cool the airfoils and other components, and would additionally allow for a reduction in emissions and / or an increase in ignition temperatures.
Kurze Beschreibung der Erfindung Brief description of the invention
[0005] Die vorliegende Erfindung und das sich ergebende Patent schaffen somit ein Heissgaspfadbauteil für den Einsatz in einer Gasturbine. Das Heissgaspfadbauteil kann ein Schaufelblatt, einen inneren Kühlhohlraum und einen porösen Abschnitt aufweisen, der durch ein Metall-Laser-Schmelzverfahren erzeugt ist. Der poröse Abschnitt kann in das Schaufelblatt eingebaut sein, oder das Schaufelblatt kann getrennt hergestellt und an dem Schaufelblatt angebracht sein. The present invention and the resulting patent thus provide a hot gas path component for use in a gas turbine engine. The hot gas path member may include an airfoil, an inner cooling cavity, and a porous portion formed by a metal laser fusion process. The porous portion may be incorporated in the airfoil, or the airfoil may be made separately and attached to the airfoil.
[0006] Der poröse Abschnitt des Heissgaspfadbauteils kann in das Schaufelblatt eingebaut sein. The porous portion of the hot gas path component may be incorporated in the airfoil.
[0007] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann getrennt hergestellt und an dem Schaufelblatt angebracht sein. The porous portion of each hot gas path component mentioned above may be manufactured separately and attached to the airfoil.
[0008] Das Schaufelblatt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen, wobei der poröse Abschnitt in der Saugseite angeordnet ist. The airfoil of each hot gas path component mentioned above may have a pressure side and a suction side, wherein the porous portion is disposed in the suction side.
[0009] Jedes oben erwähnte Heissgaspfadbauteil kann zudem eine zu dem porösen Abschnitt benachbarte Prallhülse aufweisen. Each of the above-mentioned hot gas path component may also have an impact sleeve adjacent to the porous portion.
[0010] Jedes oben erwähnte Heissgaspfadbauteil kann ausserdem benachbart zu dem porösen Abschnitt mehrere Filmkühlungslöcher aufweisen. Each of the above-mentioned hot gas path member may further have a plurality of film cooling holes adjacent to the porous portion.
[0011 ] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann darin ein poröses Medium enthalten. The porous portion of each hot gas path member mentioned above may contain therein a porous medium.
[0012] Das poröse Medium jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann einen Metallschaum, einen keramischen Schaum und/oder einen Kohlenstofffaserschaum aufweisen. The porous medium of each hot gas path component mentioned above may comprise a metal foam, a ceramic foam and / or a carbon fiber foam.
[0013] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann einen porösen Abströmkantenabschnitt mit einer ganz oder teilweise darauf angeordneten Aussenhülse aufweisen. The porous section of each hot gas path component mentioned above may have a porous Abströmkantenabschnitt with a wholly or partially disposed thereon outer sleeve.
[0014] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann einen oder mehrere poröse Seitenabschnitte aufweisen. The porous portion of each hot gas path member mentioned above may have one or more porous side portions.
[0015] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann einen porösen äusseren Abschnitt aufweisen. The porous portion of each hot gas path member mentioned above may have a porous outer portion.
[0016] Der poröse äussere Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann eine Aussenhülse mit mehreren äusseren Filmkühlungslöchern aufweisen. The porous outer portion of each hot gas path component mentioned above may comprise an outer sleeve having a plurality of outer film cooling holes.
[0017] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Heissgaspfadbauteils kann einen porösen inneren Abschnitt aufweisen. The porous portion of each of the above-mentioned hot gas path member may have a porous inner portion.
2 [0018] Die vorliegende Erfindung und das sich daraus ergebende Patent schaffen zudem ein Verfahren zum Kühlen eines Heissgaspfadbauteils für den Einsatz in einer Gasturbine. Zu dem Verfahren können die Schritte gehören: Ausbilden des Heissgaspfadbauteils mit einem inneren Kühlhohlraum, Erzeugen eines porösen Abschnitts mittels eines Metall-LaserSchmelzverfahrens (DLMS), Leiten eines Kühlmittels zu dem inneren Kühlhohlraum, und Leiten des Kühlmittel durch den porösen Abschnitt, um Transpirationskühlung vorzusehen. Der Erzeugungs-schritt kann beinhalten, den porösen Abschnitt auf dem Heissgaspfadbauteil anzulagern, oder den porösen Abschnitt getrennt herzustellen und den porösen Abschnitt an dem Heissgaspfadbauteil anzubringen. The present invention and the resulting patent also provide a method of cooling a hot gas path component for use in a gas turbine engine. The method may include the steps of forming the hot gas path component with an internal cooling cavity, creating a porous section by means of a metal laser melting process (DLMS), passing a coolant to the internal cooling cavity, and passing the coolant through the porous section to provide transpiration cooling. The generating step may include mounting the porous portion on the hot gas path member, or separately preparing the porous portion and attaching the porous portion to the hot gas path member.
[0019] Der Erzeugungsschritt kann beinhalten, den porösen Abschnitt auf dem Heissgaspfadbauteil anzulagern, oder den porösen Abschnitt getrennt herzustellen und den porösen Abschnitt an dem Heissgaspfadbauteil anzubringen. The generating step may include mounting the porous portion on the hot gas path member, or separately preparing the porous portion and attaching the porous portion to the hot gas path member.
[0020] Die vorliegende Erfindung und das sich ergebende Patent schaffen ausserdem ein Schaufelblatt für den Einsatz in einer Gasturbine. Das Schaufelblatt kann eine Druckseite, eine Saugseite, einen inneren Kühlhohlraum und einen porösen Abschnitt mit einem porösen Medium aufweisen, das durch ein Metall-Laser-Schmelzverfahren erzeugt ist. The present invention and the resulting patent also provide an airfoil for use in a gas turbine engine. The airfoil may have a pressure side, a suction side, an inner cooling cavity and a porous portion having a porous medium produced by a metal laser fusion process.
[0021 ] Der poröse Abschnitt des Schaufelblatts kann in das Schaufelblatt eingebaut sein, oder der poröse Abschnitt ist getrennt ausgebildet und an dem Schaufelblatt angebracht. The porous portion of the airfoil may be incorporated in the airfoil, or the porous portion is formed separately and attached to the airfoil.
[0022] Der poröse Abschnitt des Schaufelblatts kann einen porösen Abströmkantenabschnitt aufweisen. The porous portion of the airfoil may have a porous trailing edge portion.
[0023] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Schaufelblatts kann einen oder mehrere poröse Seitenabschnitte aufweisen. The porous portion of each above-mentioned airfoil may have one or more porous side portions.
[0024] Der poröse Abschnitt jedes oben erwähnten Schaufelblatts kann einen porösen äusseren Abschnitt und/oder einen porösen inneren Abschnitt aufweisen. The porous portion of each above-mentioned airfoil may have a porous outer portion and / or a porous inner portion.
[0025] Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des sich daraus ergebenden Patents erschliessen sich dem Fachmann nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen. These and other features and improvements of the present application and the resulting patent will become apparent to those skilled in the art after reading the following detailed description in conjunction with the drawings and the appended claims.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0026] Short description of the drawings [0026]
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Gasturbinentriebwerk, das einen Verdichter, eine Brennkammeranordnung und eine Turbine aufweist. FIG. 1 is a block diagram of a gas turbine engine having a compressor, a combustor assembly, and a turbine.
Fig. 2 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt eines Schaufelblattes. Fig. 2 shows in a longitudinal section a portion of an airfoil.
Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt eines Schaufelblatts, wie es hier beschrieben ist. Fig. 3 shows in a longitudinal section a portion of an airfoil, as described here.
Fig. 4 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des Schaufelblatts nach Fig. 3. FIG. 4 shows a detailed view of a portion of the airfoil of FIG. 3. FIG.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Schaufelblatts, wie es hier beschrieben ist. Fig. 5 shows a sectional view of a modified embodiment of an airfoil, as described here.
Fig. 6 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des Schaufelblatts nach Fig. 5. FIG. 6 is a detailed view of a portion of the airfoil of FIG. 5. FIG.
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Schaufelblatts, wie es hier beschrieben ist. Fig. 7 shows a sectional view of a modified embodiment of an airfoil, as described here.
Fig. 8 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des Schaufelblatts nach Fig. 7. FIG. 8 is a detailed view of a portion of the airfoil of FIG. 7. FIG.
Fig. 9 veranschaulicht in einer detaillierten Ansicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Abschnitts des Schaufelblatts nach Fig. 7. FIG. 9 is a detailed view of a modified embodiment of a portion of the airfoil of FIG. 7. FIG.
Fig. 10 zeigt in einer Schnittansicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Schaufelblatts, wie es hier beschrieben ist. Fig. 10 shows in a sectional view a modified embodiment of an airfoil, as described here.
Fig. 1 1 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des Schaufelblatts nach Fig. 10. FIG. 11 shows a detailed view of a portion of the airfoil of FIG. 10. FIG.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
[0027] Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen übereinstimmende Bezugszeichen über die unterschiedlichen Ansichten hinweg gleichartige Elemente bezeichnen, zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht der Gasturbine 10, wie sie hier genutzt werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen ankommenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 führt den verdichteten Luftstrom 20 einer Brennkammer 25 zu. Die Brennkammeranordnung 25 mischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem verdichteten Brennstoffström 30 und entzündet das Gemisch, um einen Strom von Verbrennungsgasen 35 zu erzeugen. Obwohl nur eine einzige Brennkammeranordnung 25 gezeigt ist, kann das Gasturbinentriebwerk 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammeranordnungen 25 enthalten. Der With reference to the drawings, wherein like reference characters designate like elements throughout the several views, FIG. 1 is a schematic view of the gas turbine engine 10 as may be used herein. The gas turbine 10 may include a compressor 15. The compressor 15 compresses an incoming air stream 20. The compressor 15 supplies the compressed air stream 20 to a combustion chamber 25. The combustor assembly 25 mixes the compressed air stream 20 with a compressed fuel stream 30 and ignites the mixture to produce a stream of combustion gases 35. Although only a single combustor assembly 25 is shown, the gas turbine engine 10 may include any number of combustor assemblies 25. Of the
3 Strom von Verbrennungsgasen 35 wird seinerseits einer Turbine 40 zugeführt. Der Strom von Verbrennungsgasen 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu leisten. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt über eine Welle 45 den Verdichter 15 und eine externe Last 50 wie beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen an. 3 stream of combustion gases 35 is in turn fed to a turbine 40. The flow of combustion gases 35 drives the turbine 40 to perform mechanical work. The mechanical work generated in the turbine 40 drives via a shaft 45 the compressor 15 and an external load 50 such as an electric generator and the like.
[0028] Die Gasturbine 10 kann Erdgas, Flüssigkraftstoffe, vielfältige Arten von synthetischem Gas und/oder andere Arten von Brennstoffen und Kombinationen davon verwenden. Die Gasturbine 10 kann eine beliebige von mehreren unterschiedlichen Gasturbinentriebwerken sein, die von General Electric, Schenectady, New York, angeboten werden, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, eine Hochleistungsgasturbine der Reihe 7 oder 9 und dergleichen. Die Gasturbine 10 kann andere Konstruktionen aufweisen und kann sonstige Arten von Bauteilen verwenden. Es können hier auch Gasturbinentriebwerke anderer Bauart verwendet werden. Weiter können vielfältige Gasturbinentriebwerke, sonstige Arten von Turbinen und andere Arten von Kraftanlagen hier gemeinsam verwendet werden. The gas turbine engine 10 may use natural gas, liquid fuels, various types of synthetic gas, and / or other types of fuels and combinations thereof. The gas turbine engine 10 may be any one of several different gas turbine engines offered by General Electric of Schenectady, New York, for example, but not limited to, a Series 7 or 9 high performance gas turbine, and the like. The gas turbine 10 may have other constructions and may use other types of components. It can also gas turbine engines of other types are used here. Further, various gas turbine engines, other types of turbines, and other types of power plants may be shared here.
[0029] Fig. 2 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Beispiel eines Heissgaspfadbauteils 55. In diesem Beispiel kann das Heissgaspfadbauteil 55 ein Schaufelblatt 60 sein. Das Schaufelblatt 60 kann ein Teil eines Leitapparats, einer Schaufel oder eines beliebigen sonstigen Heissgaspfadbauteils 55 wie beispielsweise ein Mantel und dergleichen sein. Das Schaufelblatt 60 kann ein äusseres Gehäuse 65 aufweisen. Das Schaufelblatt 60 kann sich von einer Druckseite 70 zu einer Saugseite 75 erstrecken. Das Schaufelblatt 60 kann sich auch von einer Anströmkante 80 zu einer Abströmkante 85 erstrecken. Das Schaufelblatt 60 kann im Wesentlichen aerodynamisch gestaltet sein. Das Gehäuse 65 kann eine Anzahl von inneren Kühlhohlräumen 90 definieren, die mit einer Anzahl von Filmkühlungslöchern 92 strömungsmässig verbunden sind, die sich durch das Gehäuse 65 erstrecken. Weiter können sich mehrere Stiftreihen 94 in die inneren Kühlhohlräume 90 hinein erstrecken. Ein Teil des Luftstroms 20 kann von dem Verdichter 15 abgezweigt sein, um das Schaufelblatt 60 zu kühlen. Der Luftstrom 20 kann sich durch die inneren Kühlhohlräume 90 erstrecken und kann um die Filmkühlungslöcher 92 oder andernorts austreten. Die Stiftreihen 94 können dem Luftstrom.20 Turbulenz verleihen. Viele andere Arten von Heissgaspfadbauteilen 55 und Schaufelblättern 60 können genutzt werden. Ebenso können auch viele andere Arten von Kühlungsanordnungen und Bauteilen verwendet werden. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a hot gas path member 55. In this example, the hot gas path member 55 may be an airfoil 60. The airfoil 60 may be part of a nozzle, a blade or any other hot gas path component 55 such as a jacket and the like. The airfoil 60 may include an outer housing 65. The airfoil 60 may extend from a pressure side 70 to a suction side 75. The airfoil 60 may also extend from a leading edge 80 to a trailing edge 85. The airfoil 60 may be substantially aerodynamic. The housing 65 may define a number of internal cooling cavities 90 fluidly connected to a number of film cooling holes 92 extending through the housing 65. Further, a plurality of rows of pins 94 may extend into the interior cooling cavities 90. A portion of the airflow 20 may be diverted from the compressor 15 to cool the airfoil 60. The airflow 20 may extend through the inner cooling cavities 90 and may exit around the film cooling holes 92 or elsewhere. The rows of pins 94 can impart turbulence to the airflow 20. Many other types of hot gas path components 55 and airfoils 60 may be used. Likewise, many other types of cooling arrangements and components may be used.
[0030] Fig. 3 und 4 zeigen ein Heissgaspfadbauteil 100, wie es hier beschrieben ist. In diesem Beispiel kann das Heissgaspfadbauteil 100 ein Schaufelblatt 1 10 sein. Das Schaufelblatt 1 10 kann Teil eines Leitapparats oder einer Schaufel sein. Es können hier auch andere Arten von Heissgaspfadbauteilen 100, beispielsweise ein Mantel und dergleichen, verwendet werden. Das Schaufelblatt 1 10 kann ein Gehäuse 120 aufweisen. Das Gehäuse 120 kann eine Innenfläche 130 und eine Aussenfläche 140 aufweisen. Die Innenfläche 130 kann dazu benachbart eine Prallhülse 135, eine Aufprallplatte, oder eine ähnliche Konstruktion aufweisen. Das Gehäuse 130 kann sich von einer Druckseite 150 zu einer Saugseite 160 erstrecken. Desgleichen kann sich das Schaufelblatt 1 10 von einer Anströmkante 170 zu einer Abströmkante 180 erstrecken und eine im Wesentlichen aerodynamische Gestalt definieren. Das Gehäuse 120 kann um seine Innenfläche 130 mehrere innere Kühlhohlräume 190 definieren. Durch das Gehäuse 120 können sich mehrere Filmkühlungslöcher 200 erstrecken. Weiter können in den inneren Hohlräumen 190 mehrere Stiftreihen 210 angeordnet sein. Es können auch andere Bauteile und sonstige Konstruktionen hierin genutzt werden. Figs. 3 and 4 show a hot gas path component 100 as described herein. In this example, the hot gas path component 100 may be an airfoil 110. The blade 1 10 may be part of a nozzle or a blade. Other types of hot gas path components 100, such as a jacket and the like, may be used herein. The airfoil 1 10 may have a housing 120. The housing 120 may include an inner surface 130 and an outer surface 140. The inner surface 130 may have adjacent thereto a baffle 135, an impact plate, or similar construction. The housing 130 may extend from a pressure side 150 to a suction side 160. Likewise, the airfoil 110 may extend from a leading edge 170 to a trailing edge 180 and define a substantially aerodynamic shape. The housing 120 may define a plurality of internal cooling cavities 190 about its interior surface 130. Through the housing 120, a plurality of film cooling holes 200 may extend. Further, a plurality of pin rows 210 may be disposed in the inner cavities 190. Other components and constructions may be used herein.
[0031 ] Das Schaufelblatt 1 10 kann zudem einen porösen Abströmkantenabschnitt 220 aufweisen. Der poröse Abströmkantenabschnitt 220 kann mit einem porösen Medium 230 gefüllt sein. Das poröse Medium 230 kann anhand eines oder mehrerer beliebiger geeigneter poröser Materialien ausgebildet sein, die darin eine Matrix mit einer Anzahl von Poren aufweisen. Das poröse Medium 230 kann anhand eines Metallschaums, eines Metalllegierungsschaum, eines keramischen Schaums, beispielsweise eines Keramik-Matrixverbundstoffschaums, eines Kohlenstofffaserschaums und ähnlicher Arten von porösen Materialien ausgebildet sein. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele spezieller Materialien können Rene 142, Rene 195, MarM247, GTD1 1 1 , GTD444, IN738, H282, H230, IN625 und dergleichen beinhalten. Der Schaum kann gewöhnlich gebildet werden, indem ein Material, beispielsweise ein Metall, eine Keramik, eine Kohlenstofffaser und dergleichen mit einer weiteren Substanz gemischt wird, und die Substanz anschliessend geschmolzen wird, so dass der poröse Schaum verbleibt. Das poröse Medium 230 kann mittels eines Metall-Laser-Schmelz-(»DMLM»)-Verfahrens und dergleichen «gedruckt» oder aufgebaut werden. Es können hier auch unterschiedliche Sintertechniken und andere Herstellungstechniken verwendet werden, um die im Vorliegenden erwähnten Bauteile zu erzeugen. Das poröse Medium kann hinsichtlich der Porosität/Durchlässigkeit auf der Grundlage einer Optimierung des hindurch strömenden Kühlstroms überall variieren. Beispielsweise ist die Durchlässigkeit in Regionen höchster Wärmelast am geringsten, so dass durch diese Regionen mehr Kühlfluid strömt als in Regionen, in denen die Wärmelast und der Bedarf an Kühlfluid möglicherweise geringer ist. Durch die Poren in dem porösen Medium 230 kann ein Kühlmittel 240 strömen, um die Kühlung in hocheffizenter Weise durchzuführen. The airfoil 1 10 may also have a porous Abströmkantenabschnitt 220. The porous downstream edge portion 220 may be filled with a porous medium 230. The porous medium 230 may be formed from one or more of any suitable porous materials having therein a matrix having a number of pores. The porous medium 230 may be formed of a metal foam, a metal alloy foam, a ceramic foam, for example, a ceramic matrix composite foam, a carbon fiber foam, and similar types of porous materials. Non-limiting examples of specific materials may include Rene 142, Rene 195, MarM247, GTD111, GTD444, IN738, H282, H230, IN625, and the like. The foam can usually be formed by mixing a material such as a metal, a ceramic, a carbon fiber and the like with another substance, and then melting the substance to leave the porous foam. The porous medium 230 may be "printed" or constructed by a metal-laser-melt ("DMLM") process and the like. Various sintering techniques and other manufacturing techniques may also be used herein to produce the components mentioned hereinabove. The porous medium may vary widely in porosity / permeability based on optimization of the cooling flow therethrough. For example, in regions of highest thermal load, the permeability is lowest so that more cooling fluid flows through these regions than in regions where the thermal load and the need for cooling fluid may be lower. Through the pores in the porous medium 230, a coolant 240 can flow to perform the cooling in a highly efficient manner.
[0032] Der poröse Abströmkantenabschnitt 220 kann unmittelbar auf dem Schaufelblatt 1 10 aufgebaut sein, oder der poröse Abströmkantenabschnitt 220 kann getrennt hergestellt und durch eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Techniken angebracht sein. Diese Techniken können Hartlöten, Lichtbogenschweissen, Schweissen mit hoher Energiedichte, wie beispielsweise Laserschweissen und Elektronenstrahlschweissen, TLP-Kleben, Diffusionskleben, oder andere Arten mechanischer Befestigung beinhalten. Die Anlagerung des porösen Mediums 230 kann über einem bestehenden Bauteil durchgeführt werden oder als Teil der Herstellung eines Bauteils als Ganzes erzeugt werden. Der Einsatz des DMLM-Verfahrens ermöglicht eine hohe Wärmeübertragung durch das poröse Medium 230 hindurch, während eine qualitativ hochwertige Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt 1 10 und dem porösen Abströmkantenabschnitt 220 erzeugt wird. Der poröse Abströmkantenabschnitt 220 kann eine Aussenhülse 250 aufweisen, die sich ganz oder teilweise so erstreckt, The porous trailing edge portion 220 may be constructed directly on the airfoil 110, or the porous trailing edge portion 220 may be manufactured separately and attached by any number of different techniques. These techniques may include brazing, arc welding, high energy density welding such as laser welding and electron beam welding, TLP bonding, diffusion bonding, or other types of mechanical attachment. The attachment of the porous medium 230 may be performed over an existing component or may be generated as part of the manufacture of a component as a whole. The use of the DMLM process allows for high heat transfer through the porous media 230 while creating a high quality bond between the airfoil 110 and the porous trailing edge portion 220. The porous trailing edge portion 220 may include an outer sleeve 250 that extends wholly or partially so
4 dass der Strom gelenkt wird, um lediglich über einem bestimmten Abschnitt oder über mehreren bestimmten Abschnitten der Abströmkante auszutreten. Die Aussenhülse 250 kann ein metallisches Bauteil, eine Wärmedämmschicht und dergleichen sein. Die Beschichtung kann ein Aluminid und dergleichen sein, das darauf gesprüht ist. Das Kühlmittel 240 strömt somit durch das Schaufelblatt 1 10 und tritt über die porösen Abströmkantenabschnitt 220 aus, um die Abströmkante 180 zu kühlen. Andere Bauteile und sonstige Anordnungen können hier genutzt werden. 4 that the flow is directed to exit only over a certain portion or over several specific portions of the trailing edge. The outer sleeve 250 may be a metallic component, a thermal barrier coating, and the like. The coating may be an aluminide and the like sprayed thereon. The coolant 240 thus flows through the airfoil 110 and exits via the porous trailing edge portion 220 to cool the trailing edge 180. Other components and other arrangements can be used here.
[0033] Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Beispiel eines Heissgaspfadbauteils 100. In diesem Beispiel kann das Heissgaspfadbauteil 100 ein Schaufelblatt 260 sein. Das Schaufelblatt 260 kann einen porösen Seitenabschnitt 270 aufweisen, der auf der Saugseite 160 angeordnet ist. Der poröse Seitenabschnitt 270 kann das poröse Medium 230 enthalten. Speziell kann das poröse Medium 230 entlang der Prallhülse 135 oder um ein Netz auf der zugrundeliegenden Struktur in das Gehäuse 120 des Schaufelblatts 260 eingebaut oder darin angebracht sein. Das poröse Medium 230 kann mit dem Gehäuse fluchten, um Transpirationskühlung und dergleichen vorzusehen. Der Kühlstrom 240 kann auf diese Weise durch die Poren in dem porösen Seitenabschnitt 270 entweichen. Beliebig viele der porösen Seitenabschnitte 270 können hier mit beliebiger Abmessung oder Gestalt genutzt werden. Wie im Vorausgehenden kann die Porosität und die Durchlässigkeit über das gesamte poröse Teil hinweg variiert werden, um die Nutzung der Kühlung zu optimieren. Andere Bauteile und sonstige Anordnungen können hier genutzt werden. FIGS. 5 and 6 show another example of a hot gas path component 100. In this example, the hot gas path component 100 may be an airfoil 260. The airfoil 260 may include a porous side portion 270 disposed on the suction side 160. The porous side portion 270 may include the porous medium 230. Specifically, the porous media 230 may be incorporated or mounted along the baffle 135 or around a net on the underlying structure in the housing 120 of the airfoil 260. The porous medium 230 may be flush with the housing to provide transpiration cooling and the like. The cooling flow 240 can thus escape through the pores in the porous side portion 270. Any number of the porous side portions 270 may be used herein with any dimension or shape. As before, the porosity and permeability can be varied throughout the porous part to optimize the use of cooling. Other components and other arrangements can be used here.
[0034] Fig. 7-9 zeigen ein weiteres Beispiel eines Heissgaspfadbauteils 100. In diesem Beispiel kann das Heissgaspfadbauteil 100 ein Schaufelblatt 280 sein. Das Schaufelblatt 280 kann einen porösen äusseren Abschnitt 290 aufweisen, der auf der Saugseite 160 oder andernorts entlang des Schaufelblattes 280 angeordnet ist. Insbesondere kann der poröse äussere Abschnitt 290 eine Anlagerung des porösen Mediums 230 auf dem Gehäuse 120 beinhalten. In einer Abwandlung kann der poröse Abschnitt getrennt aufgebaut und durch eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Techniken einschliesslich der oben erwähnten angebracht sein. Das Gehäuse 120 und der poröse äussere Abschnitt 290 können mit den Filmkühlungslöchern 200 strömungsmässig verbunden sein, die sich durch das Gehäuse 120 erstrecken. Wie in Fig. 8 dargestellt, kann eine über dem porösen Medium 230 angeordnete Aussenhülse 300 verwendet werden. Auf der Aussenhülse 300 können mehrere äussere Filmkühlungslöcher 310 angeordnet sein. Die Aussenhülse 300 kann auf Metall, einer Wärmedämmschicht und dergleichen basieren. Wie in Fig. 9 gezeigt, kann die Aussenhülse 300 optional so eingerichtet sein, dass das poröse Medium 230 keinerlei Deckschicht bedarf. Die Aussenhülse 300 kann das poröse Medium 230 zur Gänze, zum Teil oder überhaupt nicht bedecken. Der Kühlstrom 240 kann somit durch die Filmkühlungslöcher 200, das poröse Medium 230 und/oder die äusseren Filmkühlungslöcher 310 strömen. Die Filmkühlungslöcher können teilweise in dem porösen Medium ausgebildet sein, um die Strömungsverteilung in das porösen Medium hinein zu verbessern. Es können auch andere Bauteile und sonstige Konstruktionen hierin genutzt werden. FIGS. 7-9 show another example of a hot gas path component 100. In this example, the hot gas path component 100 may be an airfoil 280. The airfoil 280 may include a porous outer portion 290 disposed on the suction side 160 or elsewhere along the airfoil 280. In particular, the porous outer portion 290 may include an attachment of the porous medium 230 to the housing 120. Alternatively, the porous section may be constructed separately and attached by any number of different techniques including those mentioned above. The housing 120 and the porous outer portion 290 may be fluidly connected to the film cooling holes 200 that extend through the housing 120. As shown in FIG. 8, an outer sleeve 300 disposed above the porous medium 230 may be used. On the outer sleeve 300 a plurality of outer film cooling holes 310 may be arranged. The outer sleeve 300 may be based on metal, a thermal barrier coating, and the like. As shown in FIG. 9, the outer sleeve 300 may optionally be configured such that the porous medium 230 does not require any cover layer. The outer sleeve 300 may cover the porous medium 230 in whole, in part, or not at all. The cooling flow 240 may thus flow through the film cooling holes 200, the porous medium 230, and / or the outer film cooling holes 310. The film cooling holes may be partially formed in the porous medium to improve the flow distribution into the porous medium. Other components and constructions may be used herein.
[0035] Fig. 10 und 1 1 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heissgaspfadbauteils 100. In diesem Beispiel kann das Heissgaspfadbauteil 100 ein Schaufelblatt 320 sein. Das Schaufelblatt 320 kann einen porösen inneren Abschnitt 330 aufweisen. Der poröse innere Abschnitt 330 kann eine Anlagerung des porösen Mediums 230 ganz oder teilweise um die optionale Prallhülse 135 längs der Filmkühlungslöcher 200 oder andernorts in dem Gehäuse 120 beinhalten. In einer Abwandlung kann das poröse Medium getrennt hergestellt und durch vielfältige Verfahren, wie sie oben beschrieben sind, angebracht sein. Die Durchlässigkeit und Porosität des porösen Mediums kann nach Bedarf variieren, um die Nutzung des Kühlfluids zu optimieren. Der Kühlstrom 240 kann auf diese Weise durch die Prallhülse 135, das poröse Medium 230 und die Filmkühlungslöcher 200 hindurch strömen. Die Filmkühlungslöcher können teilweise in dem porösen Medium ausgebildet sein, um eine optimale Gestalt der Filmlöcher mit Blick auf eine maximierte Wirksamkeit des Films zu gewährleisten. Andere Bauteile und sonstige Anordnungen können hier genutzt werden. FIGS. 10 and 11 show another embodiment of a hot gas path component 100. In this example, the hot gas path component 100 may be an airfoil 320. The airfoil 320 may include a porous inner portion 330. The porous inner portion 330 may include an attachment of the porous media 230 wholly or partially around the optional impact sleeve 135 along the film cooling holes 200 or elsewhere in the housing 120. Alternatively, the porous medium may be prepared separately and attached by a variety of methods as described above. The permeability and porosity of the porous media may vary as needed to optimize the utilization of the cooling fluid. The cooling flow 240 may thus flow through the impingement sleeve 135, the porous medium 230, and the film cooling holes 200. The film cooling holes may be partially formed in the porous medium to ensure optimum shape of the film holes with a view to maximizing the effectiveness of the film. Other components and other arrangements can be used here.
[0036] Es können hier auch eine Reihe abgewandelter Heissgaspfadbauteile 100 verwendet werden. Speziell können DMLM-Techniken genutzt werden, um sowohl poröse als auch kompakte Merkmale des Heissgaspfadbauteils 100 herzustellen. Diese DMLM-Techniken können genutzt werden, um die Porosität und/oder die Durchlässigkeit an unterschiedlichen Orten in dem porösen Medium 230 zu verändern. Die DMLM-Techniken können somit verwendet werden, um innerhalb oder ausserhalb desselben mehrere unterschiedliche gesonderte poröse Strukturen hervorzubringen. Es können auch andere Verfahren zum Herstellen und Anbringen des porösen Materials verwendet werden. A number of modified hot gas path components 100 can also be used here. Specifically, DMLM techniques can be used to produce both porous and compact features of the hot gas path component 100. These DMLM techniques may be used to alter the porosity and / or permeability at different locations in the porous media 230. The DMLM techniques may thus be used to produce a plurality of different discrete porous structures inside or outside thereof. Other methods of making and applying the porous material may also be used.
[0037] Das Heissgaspfadbauteil 100 bietet diese integralen porösen Merkmale, um eine bessere Wärmeübertragung zu ermöglichen und um Transpirationskühlung bereitzustellen. Der Einsatz des porösen Mediums 230 sollte daher die Gesamtkühllastanforderungen reduzieren. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass das poröse Medium einen wesentlich höheren Wärmeübertragungskoeffizienten im Vergleich zu bekannten Schaufelblattmaterialien aufweist und eine hervorragende Kontrolle über die Verteilung von Kühlfluid über die Komponente ermöglicht. Die Nutzung eines solchen Verfahrens an den Heissgaspfadbauteilen an mehreren Stellen kann die Wärmeübertragungsfähigkeit erhöhen, während Kühlstromanforderungen verringert werden. Darüber hinaus verleiht die Verwendung des DMLM-Verfahrens dem porösen Schaum eine integrale Verbindung mit dem Basismetall, wenn er unmittelbar auf dem Teil angelagert wird oder als Ganzes mit dem Teil hergestellt wird. Das DMLM-Verfahren ermöglicht zudem eine Steuerung der Porosität und der Durchlässigkeit über das gesamte Teil hinweg. The hot gas path component 100 provides these integral porous features to allow for better heat transfer and to provide transpiration cooling. The use of the porous medium 230 should therefore reduce the overall cooling load requirements. In particular, it has been found that the porous media has a significantly higher heat transfer coefficient compared to known airfoil materials and provides excellent control over the distribution of cooling fluid over the component. Utilizing such a method on the hot gas path components at multiple locations may increase heat transfer capability while reducing cooling flow requirements. In addition, the use of the DMLM process lends the porous foam an integral connection with the base metal when it is directly attached to the part or made as a whole with the part. The DMLM process also allows control of porosity and permeability throughout the part.
[0038] Es sollte verständlich sein, dass sich das Vorausgehende lediglich auf spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und des sich daraus ergebenden Patents bezieht. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können im Vorliegenden durch den Fachmann durchgeführt werden, ohne von dem allgemeinen Gegenstand und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren äquivalente Bedeutungen definiert ist. It should be understood that the foregoing refers solely to specific embodiments of the present application and the resulting patent. Numerous changes and modifications may be made herein to those skilled in the art without departing from the broader spirit and scope of the invention as defined by the following claims and their equivalents.
5 [0039] Die vorliegende Erfindung schafft ein Heissgaspfadbauteil für den Einsatz in einer Gasturbine. Das Heissgaspfadbauteil kann ein Schaufelblatt, einen inneren Kühlhohlraum und einen porösen Abschnitt aufweisen, der durch ein MetallLaser-Schmelzverfahren erzeugt ist. Der poröse Abschnitt kann in das Schaufelblatt eingebaut sein, oder das Schaufelblatt kann getrennt hergestellt und an dem Schaufelblatt angebracht sein. [0039] The present invention provides a hot gas path component for use in a gas turbine. The hot gas path member may include an airfoil, an inner cooling cavity, and a porous portion formed by a metal laser fusion process. The porous portion may be incorporated in the airfoil, or the airfoil may be made separately and attached to the airfoil.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0040] [0040]
10 Gasturbinentriebwerk 15 Verdichter 20 Luft 10 gas turbine engine 15 compressor 20 air
25 Brennkammeranordnung 30 Brennstoff 35 Verbrennungsgase 40 Turbine 45 Welle 50 Last 25 combustor assembly 30 fuel 35 combustion gases 40 turbine 45 shaft 50 load
55 Heissgaspfadbauteil 60 Schaufelblatt 65 äusseres Gehäuse 70 Druckseite 75 Saugseite 80 Anströmkante 85 Abströmkante 90 Kühlhohlräume 92 Filmkühlungslöcher 94 Stiftreihen 100 Heissgaspfadbauteil 1 10 Schaufelblatt 120 Gehäuse 130 Innenfläche 135 Prallhülse 140 Aussenflache 150 Druckseite 160 Saugseite 170 Anströmkante 180 Abströmkante 190 Kühl hohl räume 200 Filmkühlungslöcher 55 hot gas path component 60 airfoil 65 outer housing 70 pressure side 75 suction side 80 leading edge 85 trailing edge 90 cooling cavities 92 film cooling holes 94 pin rows 100 hot gas path component 1 10 blade 120 housing 130 inner surface 135 impact sleeve 140 outer surface 150 pressure side 160 suction side 170 leading edge 180 trailing edge 190 cooling hollow spaces 200 film cooling holes
6 6
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