DE10159056A1 - Thermisch hoch belastetes Bauteil sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Thermisch hoch belastetes Bauteil sowie Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisch hoch belastetes Bauteil (10) mit einer Wand (11), welche auf der einen Seite einem Heißmedium mit einer ersten Temperatur (T¶H¶) ausgesetzt ist und auf der anderen Seite durch ein Kühlmedium mit einer zweiten Temperatur (T¶K¶), welche kleiner ist als die erste Temperatur (T¶H¶), konvektiv gekühlt wird. DOLLAR A Bei einem solchen Bauteil wird die Temperaturbelastung auf einfache Weise dadurch verringert, dass die Wand (11) auf der dem Kühlmedium zugewandten Seite mit einer Kühlschicht (13) beschichtet ist, dass die Kühlschicht (13) eine Oberflächenstruktur (14) aufweist, derart, dass die konvektive Wärmeübertragung von der Kühlschicht (13) zum Kühlmedium (Wärmeübergangszahl alpha1) größer ist als die konvektive Wärmeübertragung von der unbeschichteten Wand (11) zum Kühlmedium (Wäremübergangszahl alpha1') und dass die Dicke (D) der Kühlschicht (13) so gewählt ist, dass die sich bei Beschichtung mit der Kühlschicht (13) ergebende Wärmedurchgangszahl (k) zwischen dem Kühlmedium und der Wand (11) größer ist als die sich ohne Kühlschicht (13) ergebende Wärmedurchgangszahl zwischen Kühlmedium und der Wand (11).

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft ein thermisch hoch belastetes Bauteil mit einer Wand, welche auf der einen Seite einem Heissmedium mit einer ersten Temperatur ausgesetzt ist und auf der anderen Seite durch ein Kühlmedium mit einer zweiten Temperatur, welche kleiner ist als die erste Temperatur, konvektiv gekühlt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauteiles.
  • STAND DER TECHNIK
  • Thermisch hochbelastete Bauteile, z. B. Schaufeln, Brennkammer oder Strukturteile in Gasturbinen, werden heute im allgemeinen mittels eines Kühlmediums, üblicherweise Kühlluft, gekühlt, damit die Materialtemperatur unter einem maximal zulässigen Wert bleibt. Dieser maximal zulässige Wert ist im wesentlichen vom Material, dem mechanisch/thermischen Spannungszustand, den Strömungs- und Wärmeübertragungsbedingungen auf der heißen Seite und den Strömungs- und Wärmeübertragungsbedingungen auf der Kühlungsseite abhängig. Um z. B. aus Wirkungsgrad-/Leistungsgründen bei thermischen Turbomaschinen und modernen Motoren eine weitere Erhöhung der Temperaturen auf der heißen Seite ohne Erhöhung der benötigten Kühlluftmenge zu erzielen, oder umgekehrt bei gleichen Temperaturen und Kühlluftmengen die Belastung des Bauteiles zu reduzieren, sind heute verschiedene Maßnahmen bekannt, die am Ende die Kühleffektivität verbessern. Dazu gehören verschiedene Maßnahmen, wie Filmkühlung, Prallkühlung, aber auch die Beschichtung der Bauteile auf der heißen Seite mit einem meist keramischen Material, das aufgrund seiner speziellen Eigenschaften, nämlich niedriger Wärmeleitfähigkeit kombiniert mit hoher ertragbarer Temperatur, den Wärmedurchgang zum Bauteil hin verringert. Mit einer solchen Wärmedämmschicht (Thermal Barrier Coating, TBC) kann die Materialtemperatur des zu kühlenden Bauteiles abgesenkt werden (siehe z. B. die Druckschriften US-A-5,891,267 oder US-A-5,981,091 oder US-A-6,071,628)
  • Nachteilig ist bei den Verfahren, dass einer weiteren Verbesserung der gesamten Kühlwirkung immer Grenzen gesetzt sind, etwa bei einer Erhöhung der Kühlluft- bzw. Kühlmedienmenge durch die verbundenen erhöhten Verluste an Leistung und/oder Wirkungsgrad der Gesamtmaschine oder bei einer Verdickung der Schichten die geringere Haltbarkeit und das Risiko des Abplatzens unter lokalem Verlust der Wärmedämmung.
  • Weiterhin ist die Wärmedämmschicht bei Gasturbinen meist der Hauptströmung ausgesetzt, so dass es im Falle äußerer Beschädigungen der Schicht bei der Montage oder während des Betriebes (z. B. FOD oder beim Schnellschluss durch schnelle Abkühlung) zu Rissen oder Fehlstellen kommen kann, die zu einer lokalen Ueberhitzung des Bauteils führen können.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gekühltes Bauteil zu schaffen, welches im Effekt und insbesondere in Kombination mit bekannten Kühlmethoden zu einer weiteren Reduktion der Bauteiltemperatur führt, ohne dass etwa Kühlluftmengen erhöht werden und deren nachteilige Effekte in Kauf genommen werden müssen, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 sowie 8 bis 12 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die gekühlte Wand des Bauteils auf der dem Kühlmedium zugewandten Seite mit einer dünnen Schicht zu versehen, die durch eine entsprechend strukturierte Oberfläche die konvektive Kühlung merklich erhöht, so dass die durch die zusätzliche Schicht bewirkte verschlechterte Wärmeleitung überkompensiert wird und im Effekt der Wärmeübergang zwischen Wand und Kühlmedium insgesamt verbessert wird.
  • Vorzugsweise besteht die Wand aus einem Material mit einer ersten Wärmeleitzahl, und das Material der Kühlschicht weist eine zweite Wärmeleitzahl auf, welche grösser oder gleich der ersten Wärmeleitzahl ist.
  • Es ist aber auch denkbar, dass das Material der Kühlschicht eine zweite Wärmeleitzahl aufweist, welche kleiner ist als die erste Wärmeleitzahl.
  • Eine weitere Verbesserung der Temperaturverhältnisse ergibt sich, wenn gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Wand des Bauteils auf der dem Heissmedium zugewandten Seite zusätzlich mit einer Wärmedämmschicht (TBC - Thermal Barrier Coating) versehen ist.
  • Die erfindungsgemässe Kühlschicht wird vorzugsweise eingesetzt bei einem Bauteil, welches ein Bauteil aus dem heissgasbeaufschlagten Teil einer Gasturbine, insbesondere eine Gasturbinenschaufel oder ein Rotor- oder ein Statorhitzeschild, ist.
  • Das mit der erfindungsgemässen Kühlschicht versehene Bauteil kann aber auch ein gekühltes Teil eines wegen des Druckverhältnisses hohen Temperaturen ausgesetzten Verdichters sein.
  • Es ist aber auch denkbar, dass das Bauteil Teil der Brennkammerwand einer Gasturbine, ein Brennerteil oder ein anderes gekühltes Bauteil einer Gasturbinenbrennkammer ist.
    • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt in einer schematisierten Darstellung im Vergleich den Temperaturverlauf in der mit einer Wärmedämmschicht versehenen Wand eines gekühlten Bauteils ohne (durchgezogen) und mit (gestrichelt) einer Kühlschicht nach der Erfindung.
  • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung geht aus von einer Konfiguration, wie sie in der einzigen Figur schematisch dargestellt ist. Ein thermisch hoch belastetes Bauteil 10 weist eine Wand 11 auf, die auf der einen Seite einem Heissmedium mit einer Temperatur TH ausgesetzt ist. Die Wand 11 kann auf dieser Seite mit einer zusätzlichen Wärmedämmschicht 12 beschichtet sein. Auf der anderen Seite wird die Wand 11 durch ein Kühlmedium gekühlt, welches sich auf einer Temperatur TK befindet. Die Wand 11 hat eine Wärmeleitfähigkeit λ2, die Wärmedämmschicht 12 hat eine Wärmeleitfähigkeit λ3. An der Grenze zwischen Wärmedämmschicht 12 und dem Heissmedium ergibt sich eine Wärmeübergangszahl α2. Grenzt die Wand 11 direkt an das Kühlmedium an, ergibt sich an dieser Grenze eine Wärmeübergangszahl α1'. Der Temperaturverlauf in der Wand des Bauteils 10 wird für diesen Fall durch die durchgezogene Kurve A beschrieben.
  • Die Erfindung sieht nun das Aufbringen einer weiteren Beschichtung, nämlich einer Kühlschicht 13, vor, die allerdings im Gegensatz zu der Wärmedämmschicht 12 auf der heißen Seite des Bauteils 10 (Thermal Barrier Coating, TBC) erfindungsgemäss auf der gekühlten Seite des Bauteils 10 angeordnet ist, um dort gezielt den Wärmeübergang von der Wand 11 zum Kühlmedium zu erhöhen. Eine derartige Beschichtung muss bestimmte Eigenschaften aufweisen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Im Gegensatz zur Wärmedämmschicht 12 muss das Beschichtungsmaterial der Kühlschicht 13 eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit λ1 aufweisen und dabei gleichzeitig in der Dicke D so dünn wie möglich sein (ohne die Wirkung zu verringern), damit der zunächst einmal höhere Wärmewiderstand einer solchen Beschichtung gegenüber einer unbeschichteten Oberfläche minimiert bleibt.
  • Damit insgesamt ein geringerer Wärmewiderstand erzielt werden kann, muss die Beschichtung (Kühlschicht 13) die Wärmeübergangszahl (α1) vom Kühlmedium auf die Oberfläche der Beschichtung aufgrund der Oberflächenstruktur 14 gezielt erhöhen. Hierbei ist entscheidend, dass die Beschichtung eine günstige Oberflächenstruktur 14 bewirkt, die der Strömungssituation am betrachteten Bauteil (Strömungsgrenzschicht auf der Kühlungsseite) angepasst ist.
  • In anderen Anwendungen, die nicht mit der Kühlung verknüpft sind, sind Beschichtungen mit gezielter Wirkung auf die Strömungsgrenzschicht bereits erfolgreich angewendet worden. Als Beispiel sei hier die Farbauftragung auf Flugzeugkörper genannt, bei der die Farbe nach Aufbringung eine Mikrostruktur erhält, die einer "Haifischhaut" ähnelt. Dieses Prinzip macht Gebrauch von der Beobachtung, dass ein stromlinienförmiger Körper wie beim Hai und beim Flugzeug durch die gezielte Rauhigkeitserhöhung einen niedrigeren Widerstandsbeiwert aufweist als ein glatter Körper. Der Grund ist der gezielte frühere Umschlag der Grenzschicht in eine turbulente Strömung, so dass im Effekt eine dünnere Grenzschicht und ein geringerer Luftwiderstand erreicht wird.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung bzw. Kühlschicht 13 kann man daher ebenfalls gezielt einen höheren Turbulenzgrad in der Grenzschicht an der gekühlten Fläche erreichen, der eine deutliche Erhöhung der Wärmeübergangszahl α1 an dieser Fläche bedeutet und, bei entsprechend dünner Schicht und ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit des Materials, insgesamt die Wärmedurchgangszahl k erhöht und die gewünschte Materialtemperaturabsenkung erzielt.
  • Besonders wirkungsvoll ist eine solche Beschichtung daher in Verbindung mit einer Wärmedämmschicht 12 auf der heißen Seite, die aber im Einzelfall nicht zwingend vorausgesetzt werden muss.
  • Die Figur zeigt mit der gestrichelten Kurve B den Temperaturverlauf im Bauteil als Folge einer solchen Beschichtung. Man kann deutlich erkennen, dass die Erhöhung der Wärmeübergangszahl α1 auf der Kühlmediumsseite in Verbindung mit der dem Grundmaterial ähnlichen Wärmeübergangszahl und der geringen Dicke D der Kühlschicht zu einer deutlichen Reduktion der mittleren Temperatur im zu kühlenden Bauteil 10 führt. Gleichzeitig wird die an das Kühlmedium übertragene Wärmemenge pro Flächeneinheit (Wärmestromdichte) erhöht, so dass auch der Temperaturgradient in der Wärmedämmschicht 12 und der Wand 11 des Bauteils 10 vergrößert wird. Dadurch wird nicht nur die mittlere Bauteiltemperatur reduziert, sondern auch die kritische Temperatur an der Grenzfläche zwischen Wärmedämmschicht 12 und Wand 11, was einen zusätzlichen Vorteil bezüglich der Haltbarkeit der Wärmedämmschicht 12 bewirkt.
  • Die Herstellung der Kühlschicht 13 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
    Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Schichtmaterial der Kühlschicht 13 in einem flüssigen oder teigigen Trägermaterial gelöst oder mit diesem vermischt wird, dass das Trägermaterial mit dem gelösten bzw. vermischten Schichtmaterial auf die Wand 11 des Bauteils 10 aufgetragen wird, und dass das Trägermaterial bei Umgebungstemperatur oder einer höheren Temperatur verdampft und durch diesen Verdampfungsvorgang sowohl die Festigkeit als auch die gewünschte Oberflächenstruktur 14 der Kühlschicht 13 erreicht wird.
  • Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht 13 verwendet wird, welches oberhalb der späteren Betriebstemperatur am Bauteil 10 in einem flüssigen oder teigigen Zustand ist, dass das Schichtmaterial in diesem Zustand auf die Wand 11 des Bauteils 10 aufgetragen wird und durch Abkühlung sowohl die Festigkeit als auch die gewünschte Oberflächenstruktur 14 der Kühlschicht 13 erreicht wird.
  • Weiterhin ist es möglich, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht 13 aus der gasförmigen oder Plasmaphase auf die Wand 11 des Bauteils 10 aufgetragen wird und damit sowohl die Festigkeit als auch die gewünschte Oberflächenstruktur 14 der Kühlschicht 13 erreicht wird.
  • Es ist aber auch denkbar, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht 13 auf die Wand 11 des Bauteils 10 aufgebracht wird, und dass die gewünschte Oberflächenstruktur 14 nach dem Aufbringen mittels eines nachgeschalteten chemischen, elektrischer, elektrochemischen oder mechanischen Strukturierungsvorgangs erzeugt wird.
  • Ein solcher Vorgang lässt sich weiter vereinfachen, wenn ein Schichtmaterial für die Kühlschicht 13 und die gewünschte Oberflächenstruktur 14 mittels eines chemischen, elektrischen, elektrochemischen oder mechanischen Auftrags- und Strukturierungsvorgangs erzeugt wird. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Bauteil (thermisch hoch belastetes)
    11 Wand (Bauteil)
    12 Wärmedämmschicht
    13 Kühlschicht
    14 Oberflächenstruktur
    A, B Kurve
    D Dicke (Kühlschicht)
    α1, α1', α2 Wärmeübergangszahl
    λ1, λ2, λ3 Wärmeleitzahl
    T Temperatur
    TH Temperatur Heissmedium
    TK Temperatur Kühlmedium
    •

Claims (12)

1. thermisch hoch belastetes Bauteil (10) mit einer Wand (11), welche auf der einen Seite einem Heissmedium mit einer ersten Temperatur (TH) ausgesetzt ist und auf der anderen Seite durch ein Kühlmedium mit einer zweiten Temperatur (TK), welche kleiner ist als die erste Temperatur (TH), konvektiv gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (11) auf der dem Kühlmedium zugewandten Seite mit einer Kühlschicht (13) beschichtet ist, dass die Kühlschicht (13) eine Oberflächenstruktur (14) aufweist, derart, dass die konvektive Wärmeübertragung von der Kühlschicht (13) zum Kühlmedium (Wärmeübergangszahl α1) grösser ist als die konvektive Wärmeübertragung von der unbeschichteten Wand (11) zum Kühlmedium (Wärmeübergangszahl α1'), und dass die Dicke (D) der Kühlschicht (13) so gewählt ist, dass die sich bei Beschichtung mit der Kühlschicht (13) ergebende Wärmedurchgangszahl (k) zwischen dem Kühlmedium und der Wand (11) grösser ist als die sich ohne Kühlschicht (13) ergebende Wärmedurchgangszahl zwischen Kühlmedium und der Wand (11).
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (11) aus einem Material mit einer ersten Wärmeleitzahl (λ2) besteht, und dass das Material der Kühlschicht (13) eine zweite Wärmeleitzahl (λ1) aufweist, welche grösser oder gleich der ersten Wärmeleitzahl (λ2) ist.
3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (11) aus einem Material mit einer ersten Wärmeleitzahl (λ2) besteht, und dass das Material der Kühlschicht (13) eine zweite Wärmeleitzahl (λ1) aufweist, welche kleiner ist als die erste Wärmeleitzahl (λ2).
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (11) des Bauteils (10) auf der dem Heissmedium zugewandten Seite zusätzlich mit einer Wärmedämmschicht (12) versehen ist.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) ein Bauteil aus dem heissgasbeaufschlagten Teil einer Gasturbine, insbesondere eine Gasturbinenschaufel oder ein Rotor- oder ein Statorhitzeschild, ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) ein gekühltes Teil eines wegen dem Druckverhältnis hohen Temperaturen ausgesetzten Verdichters ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) Teil der Brennkammerwand einer Gasturbine, ein Brennerteil oder ein anderes gekühltes Bauteil einer Gasturbinenbrennkammer ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial der Kühlschicht (13) in einem flüssigen oder teigigen Trägermaterial gelöst oder mit diesem vermischt wird, dass das Trägermaterial mit dem gelösten bzw. vermischten Schichtmaterial auf die Wand (11) des Bauteils (10) aufgetragen wird, und dass das Trägermaterial bei Umgebungstemperatur oder einer höheren Temperatur verdampft und durch diesen Verdampfungsvorgang sowohl die Festigkeit als auch die gewünschte Oberflächenstruktur (14) der Kühlschicht (13) erreicht wird.
9. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht (13) verwendet wird, welches oberhalb der späteren Betriebstemperatur am Bauteil (10) in einem flüssigen oder teigigen Zustand ist, dass das Schichtmaterial in diesem Zustand auf die Wand (11) des Bauteils (10) aufgetragen wird und durch Abkühlung sowohl die Festigkeit als auch die gewünschte Oberflächenstruktur (14) der Kühlschicht (13) erreicht wird.
10. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht (13) aus der gasförmigen oder Plasmaphase auf die Wand (11) des Bauteils (10) aufgetragen wird und damit sowohl die Festigkeit als auch die gewünschte Oberflächenstruktur (14) der Kühlschicht (13) erreicht wird.
11. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht (13) auf die Wand (11) des Bauteils (10) aufgebracht wird, und dass die gewünschte Oberflächenstruktur (14) nach dem Aufbringen mittels eines nachgeschalteten chemischen, elektrischen, elektrochemischen oder mechanischen Strukturierungsvorgangs erzeugt wird.
12. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtmaterial für die Kühlschicht (13) und die gewünschte Oberflächenstruktur (14) mittels eines chemischen, elektrischen, elektrochemischen oder mechanischen Auftrags- und Strukturierungsvorgangs erzeugt wird.
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