DE102008037462A1

DE102008037462A1 - Luftgekühlte Gasturbinenkomponenten und Verfahren zur Herstellung und Reparatur derselben

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Publication number: DE102008037462A1
Application number: DE102008037462A
Authority: DE
Inventors: David Bruce Mason Patterson; John Cincinnati Starkweather; Thomas Dayton Holland; Thomas John West Chester Tomlinson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2009-04-30
Also published as: GB0818885D0; US20090142548A1; CN101429893B; CN101429893A; JP2009115080A; US20140248425A1; GB2453853A; JP5357494B2; GB2453853B

Abstract

Es wird eine zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeignete Komponente bereitgestellt. Die Komponente enthält ein eine Oberfläche der Komponente definierendes Substrat und hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Wenigstens eine Öffnung erstreckt sich durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche und hat eine erste offene Fläche. Die Komponente hat eine erste Beschichtung auf wenigstens einer von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung. Die Komponente hat auch eine über der ersten Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung liegende zweite Beschichtung dergestalt, dass wenigstens ein Teilabschnitt der ersten Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung freigelegt ist. Die erste Beschichtung definiert eine zweite offene Fläche, welche kleiner als die erste offene Fläche ist. In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten Komponente bereitgestellt, das die Schritte aufweist: Erzeugen der Komponente aus einem Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, Erzeugen wenigstens einer Öffnung durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche mit einer ersten offenen Fläche, Aufbringen einer ersten Beschichtung auf die wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebene Technologie betrifft im Wesentlichen Gasturbinentriebwerke und insbesondere luftgekühlte Komponenten zur Verwendung in Gasturbinen und Verfahren zur Herstellung und Reparatur derartiger Komponenten.
Ein Gasturbinentriebwerk enthält einen Verdichter zum Verdichten von Luft, welche mit Brennstoff vermischt und einer Brennkammer zugeführt wird, in welcher das Gemisch innerhalb eines Verbrennungsraumes zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase entzündet wird. Wenigstens einige bekannte Brennkammern enthalten eine Domanordnung, eine Leitvorrichtung und Einsätze, um die Verbrennungsgase zu einer Turbine zu leiten, welche den Verbrennungsgasen Energie entzieht, um den Verdichter anzutreiben, sowie Nutzarbeit für den Vortrieb eines Flugzeuges im Flug oder zum Antreiben einer Last, wie zum Beispiel eines elektrischen Generators, erzeugt. Die Einsätze sind mit der Domanordnung mittels der Leitvorrichtung verbunden und erstrecken sich stromabwärts von der Leitvorrichtung, um den Verbrennungsraum zu definieren.
Die Betriebsumgebung innerhalb eines Gasturbinentriebwerks ist sowohl thermisch als auch chemisch aggressiv. Bedeutsame Fortschritte bei Hochtemperaturlegierungen wurden durch die Formulierung von Eisen-, Nickel- und Kobalt-basierenden Superlegierungen erzielt und trotzdem können aus derartigen Legierungen hergestellte Komponenten oft nicht langen Einsatzbelas tungen widerstehen, wenn sie in bestimmten Abschnitten eines Gasturbinentriebwerks, wie zum Beispiel der Turbine, der Brennkammer oder dem Nachbrenner, eingesetzt werden. Eine übliche Lösung besteht in dem Schutz der Oberflächen derartiger Komponenten mit einem Umgebungsbeschichtungssystem, wie zum Beispiel einer Aluminidbeschichtung oder einem Wärmebarrierenbeschichtungs-(TBC – thermal-barrier-coating)-System. Das Letztere umfasst typischerweise eine umgebungsbeständige Haftschicht und eine auf der Haftschicht abgeschiedene Wärmebarrierenbeschichtung aus Keramik. Haftschichten werden typischerweise aus einer oxidationsbeständigen Legierung, wie zum Beispiel McrAlY, wobei M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist, oder aus einem Diffusionsaluminid oder Platinaluminid, die ein oxidationsbeständige intermetallische Verbindung ausbilden, hergestellt.
Obwohl Wärmebarrierenbeschichtungssysteme einen bedeutsamen Wärmeschutz für das darunter liegende Komponentensubstrat bereitstellen, ist generell eine interne Kühlung der Komponenten, wie zum Beispiel der Brennkammereinsätze, erforderlich und kann in Kombination mit oder anstelle einer Wärmebarrierenbeschichtung angewendet werden. Brennkammereinsätze eines Gasturbinentriebwerkes erfordern oft ein komplexes Kühlschema, in welchem Kühlluft um die Brennkammer strömt und dann durch sorgfältig konfigurierte Kühllöcher in dem Brennkammereinsatz hindurch in die Brennkammer ausgegeben wird. Die Leistungsfähigkeit einer Brennkammer steht in direkter Beziehung zu der Fähigkeit eine gleichmäßige Kühlung ihrer Oberflächen mit einer begrenzten Menge an Kühlluft zu erreichen. Demzufolge sind Prozesse, mittels welchen Kühllöcher und deren Öffnungen erzeugt und konfiguriert werden, oft kritisch, da die Größe und Form von jeder Öffnung die Menge des die Öffnung verlassenden Luftstroms und die Verteilung der Luftströmung über der Oberfläche bestimmen, und die Gesamtstromverteilung innerhalb der Brennkammer beeinflussen. Weitere Faktoren, wie zum Beispiel die lokale Oberflächentemperatur des Einsatzes, werden ebenfalls durch Schwankungen in der Öffnungsgröße beeinflusst.
Bei Brennkammereinsätzen mit einer Wärmebarrierenbeschichtung werden Kühllöcher typischerweise mittels solcher herkömmlicher Bohrtechniken, wie zum Beispiel elektroerosive Bearbeitung (EDM – electric discharge machining) und Laserbearbeitung erzeugt. EDM kann jedoch nicht zur Erzeugung von Kühllöchern in einem Brennkammereinsatz mit einer keramischen TBC eingesetzt werden, da die Keramik elektrisch nicht-leitend ist, und Laserbearbeitung ist dafür anfällig, die spröde keramische TBC durch Rissbildung an der Grenzfläche zwischen den Substrat und dem Keramik abplatzen zu lassen. Demzufolge war es erforderlich, mittels EDM und/oder Laserbearbeitung herzustellende Kühllöcher vor der Aufbringung des TBC-Systems zu erzeugen, was die Dicke des TBC einschränkt, welche aufgebracht werden kann, oder eine Endbearbeitung erfordert, um Keramik aus den Kühllöchern zu beseitigen, um die gewünschte Größe und Form der Öffnungen wiederherzustellen. Herkömmliche Prozesse umfassen den Schutz von Kühllöchern vor einer TBC-Abscheidung oder die vollständige Entfernung von aufgebrachter TBC aus den Löchern, um die gewünschte Lochgeometrie zu erzielen. Dieses führt zu einer Aussetzung der darunter liegende Metalloberfläche an die aggressiven Umgebungsbedingungen an den Lochstellen.
Derzeitige Reparaturverfahren für luftgekühlte Komponenten, wie zum Beispiel Brennkammereinsätze, beinhalten das Schweißen von Wärmeermüdungsrissen. Die Lage von Öffnungen in den Paneelen, wie zum Beispiel von Kühl- oder Verdünnungslöchern, und die Verwendung von Wärmebarrierenbeschichtungen bringen zusätzliche Komplexität für die Anwendung von Schweißnähten und Einsetzteilen mit sich. In vielen Fällen müssen Schutzbeschichtungen von einem gesamten Paneel und/oder einem gesamten Einsatz entfernt werden, um Zugang auf das darunter liegende Metall selbst zu erhalten, und dann die Schutzbeschichtungen wieder aufgebracht werden. Jedoch beinhalten herkömmliche Wiederaufbringungsprozesse den Schutz von Kühllöchern vor der TBC-Abscheidung oder die vollständige Entfernung von aufgebrachten TBC aus den Löchern, um die gewünschte Lochgeometrie zu erhalten. Dieses führt dazu, dass die darunter liegende Metalloberfläche den aggressiven Umgebungsbedingungen an den Lochstellen ausgesetzt wird. In einigen Fällen ist die Reparatur derartiger Paneele keine mögliche Option und stattdessen muss der gesamte Brennkammereinsatz ersetzt werden.
Da herkömmliche Konstruktionen das darunter liegende Metallsubstrat nutzen mögen, um die fertige Lochgeometrie ohne auf die Lochoberflächen aufgebrachtes TBC-Systems festzulegen, können eine Beschädigung der Löcher oder an den Löchern, die in dem Metallsubstrat vorgesehen sind, durchgeführte Reparaturen die Leistungsfähigkeit des reparierten Teiles beeinträchtigen. Zusätzlich ist ein Verfahren für die Herstellung von luftgekühlten Komponenten, wie zum Beispiel Brennkammereinsätzen, in einer Weise erwünscht, welches wirtschaftlich und physikalisch durchführbar ist, einen verbesserten Schutz für das Substrat in der Nähe der Kühllöcher bietet und welches eine zufrieden stellende Kühllochgeometrie sowohl bei der Herstellung als auch Reparatur ergibt.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt wird hierin eine zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeignete Komponente beschrieben. Die Komponente enthält ein eine Oberfläche der Komponente definierendes Substrat und hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche. Wenigstens eine Öffnung erstreckt sich durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche und hat eine erste offene Fläche. Die Komponente hat eine erste Beschichtung auf wenigstens einer von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung. Die Komponente hat auch eine über der ersten Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung liegende zweite Beschichtung dergestalt, dass wenigstens ein Teilabschnitt der ersten Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung freigelegt ist. Die erste Beschichtung definiert eine zweite offene Fläche, welche kleiner als die erste offene Fläche ist.
In einem weiteren Aspekt wird hierin ein Verfahren zur Herstellung einer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten Komponente beschrieben, das die Schritte aufweist: Erzeugen der Komponente aus einem Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, Erzeugen wenigstens einer Öffnung durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche mit einer ersten offenen Fläche, Aufbringen einer ersten Beschichtung auf die wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die erste Beschichtung unverdeckt bleibt, Aufbringen einer zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die zweite Beschichtung unverdeckt bleibt, und Entfernen der zweiten Beschichtung von der Öffnung, wobei der größte Teil oder die gesamte erste Beschichtung bestehen bleibt, um eine zweite offene Fläche zu definieren, welche kleiner als die erste offene Fläche ist.
In einem weiteren Aspekt wird hierin ein Verfahren zur Reparatur einer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten Komponente beschrieben, wobei die Komponente ein Sub strat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche und wenigstens einer sich durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckende Öffnung mit einer ersten offenen Fläche hat, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Entfernen von Beschichtungen von der Komponente, Reparieren als Defekte in dem Substrat der Komponente, Aufbringen einer ersten Beschichtung auf wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die erste Beschichtung unverdeckt bleibt, Aufbringen einer zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die zweite Beschichtung unverdeckt bleibt, und Entfernen der zweiten Beschichtung von der Öffnung, wobei der größte Teil oder die gesamte erste Beschichtung bestehen bleibt, um eine zweite offene Fläche zu definieren, welche kleiner als die erste offene Fläche ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der hierin beschriebenen Technologie, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks ist;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen Brennkammeranordnung ist, die bei dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk eingesetzt werden kann;
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnittes eines exemplarischen Brennkammereinsatzes, der bei der in 2 dargestellten Brennkammeranordnung eingesetzt werden kann;
4 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des in 3 dargestellten Brennkammereinsatzes vor einer Beschichtungsaufbringung; und
5 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des in 4 dargestellten Brennkammereinsatzes nach einer Beschichtungsaufbringung;
6 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des in 5 dargestellten Brennkammereinsatzes nach Entfernung eines Teils des Beschichtungsmaterials;
7 ist ein Flussdiagramm, das die einem exemplarischen Herstellungsverfahren zugeordneten Schritte darstellt; und
8 ist ein Flussdiagramm, das die einem exemplarischen Reparaturverfahren zugeordneten Schritte darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf luftgekühlte Komponenten und insbesondere diejenigen anwendbar, die vor einer thermisch und chemisch aggressiven Umgebung durch ein Wärmebarrierenbeschichtungssystem geschützt werden. Erwähnenswerte Beispiele derartiger Komponenten umfassen die Hoch- und Niederdruckturbinendüsen und Laufschaufeln, Deckbänder, Brennkammereinsätze und Nachbrennerhardware von Gasturbinentriebwerken. Die Vorteile dieser Erfindung sind insbesondere auf Gasturbinentriebwerkskomponenten anwendbar, die eine Innenkühlung und eine Wärmebarrierenbeschichtung anwenden, um die Betriebstemperatur der Komponente auf einem zulässigen Wert zu halten, während diese in einer thermisch aggressiven Umgebung arbeitet.
1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks 10. Das Triebwerk 10 enthält einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 14 und eine Brennkammeranordnung 16. Das Triebwerk 10 enthält auch eine Hochdruckturbine 18 und eine in serieller, axialer Strömungsbeziehung angeordnete Niederdruckturbine 20. Der Verdichter 12 und die Turbine 20 sind über eine erste Welle 21 gekoppelt und der Verdichter 14 und die Turbine 18 sind über eine zweite Welle 22 gekoppelt. In der exemplarischen Ausführungsform ist das Gasturbinentriebwerk 10 ein CFM-56 Triebwerk, das im Handel von CFM International, Inc., Cincinnati, Ohio beziehbar ist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Gasturbinentriebwerk 10 ein CF-34 Triebwerk, das im Handel von GE's Aviation Business, Cincinnati, Ohio beziehbar ist.
Im Betrieb strömt Luft durch den Niederdruckverdichter 12 und verdichtete Luft wird aus dem Niederdruckverdichter 12 dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt. Die hoch verdichtete Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Der Luftstrom aus der Brennkammer 16 treibt die Turbinen 18 und 20 an und verlässt das Gasturbinentriebwerk 10 über eine (nicht bezeichnete) Düse.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer exemplarischen Brennkammer 16, die bei dem (in 1 dargestellten) Gasturbinentriebwerk 10 eingesetzt werden kann. Die Brennkammer 16 enthält einen äußeren Einsatz 52 und einen inneren Einsatz 54, die zwischen einem äußeren Brennkammergehäuse 56 und einem inneren Brennkammergehäuse 58 angeordnet sind. Die äußeren und inneren Einsätze 52 und 54 sind radial voneinander so in Abstand angeordnet, dass ein Verbrennungsraum 60 dazwischen definiert wird. Der äußere Einsatz 52 und das äußere Gehäuse 56 bilden einen äußeren Kanal 62 dazwischen, und der innere Einsatz 54 und das innere Gehäuse 58 bilden einen inneren Kanal 64 dazwischen. Eine Leitanordnung 66 ist mit den stromaufwärts liegenden Enden der äußeren und inneren Einsätze 52 beziehungsweise 54 verbunden. Eine in der Leitanordnung 66 ausgebildete ringförmige Öffnung 68 ermöglicht das Eintreten von verdichteter Luft in die Brennkammer 16 durch eine diffuse Öffnung in einer Richtung, die im Wesentlichen durch den Pfeil A dargestellt wird. Die verdichtete Luft strömt durch die ringförmige Öffnung 68, um die Verbrennung zu unterstützen und die Kühlung der Einsätze 52 und 54 zu ermöglichen.
Eine ringförmige Domplatte 70 erstreckt sich zwischen den und ist mit den äußeren und inneren Einsätzen 52 und 54 in der Nähe ihrer stromaufwärts befindlichen Enden verbunden. Mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Verwirbleranordnungen 72 sind mit der Domplatte 70 verbunden. Jede Verwirbleranordnung 72 erhält verdichtete Luft aus der Öffnung 68 und Brennstoff von einer entsprechenden Brennstoffeinspritzeinrichtung 74. Der Brennstoff und die Luft werden durch die Verwirbleranordnung 72 verwirbelt und miteinander vermischt, und das sich ergebende Brennstoff/Luft-Gemisch wird in die Brennkammer 16 ausgegeben. Die Brennkammer 16 enthält eine Längsachse 75, welche sich von einem vorderen Ende 76 zu einem hinteren Ende 68 der Brennkammer erstreckt. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Brennkammer 16 eine Einringbrennkammer. Alternativ kann die Brennkammer 16 auch jede andere Brennkammer einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Doppelringbrennkammer sein.
In der exemplarischen Ausführungsform enthalten die äußeren und inneren Einsätze 52 und 54 jeweils mehrere überlappende Paneele 80. Insbesondere enthält in der exemplarischen Ausführungsform der äußere Einsatz 52 fünf Paneele 80 und der innere Einsatz 54 enthält vier Paneele 80. In einer alternativen Ausführungsform können sowohl die äußeren als auch inneren Einsätze 52 und 54 jeweils eine beliebige Anzahl von Paneelen 80 enthalten. Die Paneele 80 definieren einen Verbrennungsraum 60 innerhalb der Brennkammer 16. Insbesondere definieren in der ersten Ausführungsform ein erstes Paar von Paneelen 82, die stromaufwärts positioniert sind, eine primäre Verbrennungszone 84, ein Paar von zweiten Paneelen 86, die stromabwärts von den ersten Paneelen 82 positioniert sind, eine Zwischenverbrennungszone 88 und ein Paar von dritten Paneelen 90, die stromabwärts von den zweiten Paneelen 86 (Richtung B in 3) positioniert sind, und ein Paar von vierten Paneelen 92, die stromabwärts von den dritten Paneelen 90 positioniert sind, eine stromabwärts befindliche Verdünnungsverbrennungszone 94.
Die Brennkammereinsätze können Verdünnungslöcher enthalten, um Luft in die Verbrennungsumgebung in der Brennkammer zu liefern, um so die Temperaturverteilung oder Verbrennungscharakteristik zu ändern. Verdünnungsluft wird hauptsächlich in den Verbrennungsarm 60 durch mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Verdünnungslöcher 96 eingeführt, die sich entweder durch einen oder beide von den äußeren und inneren Einsätzen 52 und 54 erstrecken. In der exemplarischen Ausführungsform sind die Verdünnungslöcher 96 jeweils im Wesentlichen kreisrund. Die Verdünnungslöcher können nach Bedarf angepasst (bemessen, geformt und/oder angeordnet) sein, um Haltbarkeits- und Leistungsvorgaben der speziellen Komponente und der speziellen Produktanwendung zu erfüllen.
3 stellt einen exemplarischen Brennkammereinsatz 52 dar, der bei der Brennkammer 16 verwendet werden kann. Der Einsatz 52 kann auch mehrere in dem dritten Paneel 90 ausgebildete Kühllöcher 160 enthalten, um ein Kühlen des Einsatzes 52 zu ermöglichen. Obwohl nur eine Gruppe von Kühllöchern 160 in dem dritten Paneel 90 dargestellt ist, dürfte es sich verstehen, dass die Gruppe der Kühllöcher 160 in Umfangsrichtung um das dritte Paneel 90 herum in Abstand angeordnet ist. Es dürfte erkennbar sein, dass jede Gruppe von Kühllöchern 160 besonders heißen Punkten entsprechend positioniert ist, um eine Kanalisierung des Kühlungsfluids auf dem entsprechenden heißen Punkt zu ermöglichen. Das dritte Paneel 90 enthält eine beliebige Anzahl von Kühllöchern 160, die das Kühlen des Einsatzes 52 ermöglichen.
Während des Betriebs einer Gasturbine 10 wird eine Innenoberfläche 33 des Einsatzes 52 heiß und erfordert Kühlung. Demzufolge sind in der exemplarischen Ausführungsform Kühlungseinrichtungen, wie zum Beispiel Kühllöcher 160, in dem Einsatz 52 positioniert, um das Leiten von Kühlfluid auf die heißen Punkte des Einsatzes 52 zu ermöglichen. Insbesondere leiten die Kühllöcher 160 Kühlfluid von einem äußeren Kanal 62 und/oder inneren Kanal 64 zu dem Verbrennungsraum 60, und erzeugen somit eine Kühlfluidschicht an der Innenoberfläche 33. Es dürfte erkennbar sein, dass weitere Ausführungsformen jede Konfiguration von Kühllöchern 160 nutzen können, die eine Funktion der Kühllöcher 160 wie hierin beschrieben ermöglicht. Ebenso könnten sich Kühllöcher 160 in dem Einsatz 54 befinden, um dessen Außenoberfläche kühlen.
Während des Betriebs wird, sobald zerstäubter Brennstoff in den Verbrennungsraum 60 eingespritzt und entzündet wird, Wärme in dem Verbrennungsraum 60 erzeugt. Obwohl Luft in den Verbrennungsraum 60 durch die Kühlungseinrichtungen 160 eintritt und eine dünne Schutzgrenzschicht aus Luft entlang der Brennkammereinsatzoberfläche 33 ausbildet, kann eine Veränderung in der Aussetzung der Brennkammereinsatzoberflächen an hohe Temperaturen thermische Spannungen in den Paneelen 80 induzieren. Als Folge einer andauernden Aussetzung an thermische Beanspruchung können sich die Paneele 80 mit der Zeit verschlechtern.
4 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht eines Abschnittes des Brennkammereinsatzes 52, um die Beziehung zwischen den Kühllöchern 160 und der Einsatzoberfläche 33 sowie der Achse 220 des Loches 160 zu veranschaulichen.
Gemäß den 5 und 6 wird eine Schicht 210 eines Wärmebarrierenmaterials auf die Brennkammereinsatzoberfläche 33 des in 4 dargestellten Brennkammereinsatzes 52 aufgebracht. Das Wärmebarrierenmaterial isoliert die Brennkammereinsatzoberfläche von Hochtemperaturverbrennungsgasen. Die Schicht 210 enthält eine innere Schicht 212, wie zum Beispiel eine Haftschicht und eine äußere Schicht 214, wie zum Beispiel eine Wärmebarrierenschicht.
Die exemplarischen Verfahren werden im Hinblick auf eine luftgekühlte Komponente, wie zum Beispiel einen Brennkammereinsatz 52, beschrieben, dessen metallisches Substrat 33 durch ein Wärmebarrierenbeschichtungssystem bestehend aus einer Haftschicht 212, die auf dem Substrat (Innenoberfläche 33) erzeugt wird, und einer Keramikschicht 214, die an der Oberfläche 33 mit der Haftschicht 212 anhaftet, geschützt wird. Die Haftschicht 212 und Keramikschicht 214 können jeweils nur eine einzelne Materialschicht sein oder aus zwei oder mehr Schichten (das heißt mehrschichtig) aus geeigneten Materialien aufgebaut sein. So wie es der Fall bei Hochtemperaturkomponenten eines Gasturbinentriebwerks ist, kann die Oberfläche 33 eine Eisen-, Nickel- oder Kobalt-basierende Superlegierung sein. Die Haftschicht 212 ist bevorzugt eine oxidationsbeständige Zusammensetzung, wie zum Beispiel ein Diffusionsaluminid oder MCrAlY, das eine (nicht dargestellte) Aluminiumoxid-(Al₂O₃)-Schicht oder einen Belag auf seiner Oberfläche während einer Aussetzung an erhöhte Temperaturen ausbildet. Der Aluminiumoxidbelag schützt die darunter liegende Superlegierungsoberfläche 33 vor Oxidation und stellt eine Oberfläche bereit, an welcher die Keramikschicht 214 zäher anhaftet.
Die Keramikschicht 214 kann mittels Luft-Plasma-Spritzen (APS), Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) oder physikalische Dampfabscheidung-(PVD)-Techniken, wie zum Beispiel physikalische Elektronenstrahlaufdampfbeschichtung (EBPVD) abgeschieden werden, wobei die Letztere eine verformungstolerante säulenartige Kornstruktur ergibt. Ein exemplarisches Material für die Keramikschicht 214 ist Zirkoniumoxid, das partiell mit Yttriumoxid (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonium oder YSZ) stabilisiert ist, obwohl auch vollständig mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet werden könnte, sowie durch andere Oxide, wie zum Beispiel Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO), Zeroxid (CeO₂) oder Scandiumoxid (Sc₂O₃), verwendet werden könnte.
Das Verfahren dieser Erfindung beinhaltet die Herstellung eines (in den 4 bis 6 dargestellten) Kühlloches 160, welches durch die keramische Schicht 214, die Haftschicht 212 und die Oberfläche 33 über eine Öffnung 162 durchragen kann, um eine Konfiguration für das Kühlloch 160 und eine Öffnung 162 zu erzielen, die eine geeignet dosierte Verteilung von Kühlluft über der Außenoberfläche der Komponente, wie zum Beispiel dem Einsatz 52, erzeugt. Wie in 5 dargestellt, bildet die wie anfangs beschichtete Kühllochöffnung 162 eine kleine Öffnung (mit der Achse 230) in einem steilen Winkel (Winkel β) zu der Oberfläche angestellt aus. Gemäß Darstellung in 6 befindet sich nach der Entfernung des Teilabschnittes der keramischen Schicht 214, der zu dem Loch ausgerichtet ist, die Öffnung 162 in einem relativ flachen Winkel zu der Oberfläche 33, so dass sich die durch die Öffnung 162 strömen de Kühlluft als ein effektiver Film über die Komponentenoberfläche während des Betriebs legen kann. 7 und 8 stellen in Flussdiagrammform die hierin detaillierter beschriebenen exemplarischen Verfahren dar. Obwohl sich beide Verfahren einige gemeinsame Schritte teilen, ist das Verfahren 200 besonders für die Herstellung von neuen luftgekühlten Komponenten geeignet, während das Verfahren 300 speziell für die Reparatur und Wiederherstellung von luftgekühlten Komponenten während ihrer Betriebslebensdauer geeignet ist.
Gemäß Darstellung in 4 besteht ein erster Schritt dieses exemplarischen Verfahrens in der Erzeugung eines durch den Einsatz 52 hindurch verlaufenden Loches. Ein zweiter Schritt ist dann die Aufbringung der Haftschicht 212 und der Keramikschicht 214 auf der Oberfläche 33 wie es in 5 dargestellt ist. Aufgrund des Beschichtungsaufbaus an den Kanten des Loches 160 ist die sich ergebende Lochöffnung 162 im Querschnittsdurchmesser kleiner als das für den Einsatz 52 benötigte Kühlloch 160, ist jedoch nicht vollständig verdeckt, so dass die Stelle des Loches und wenigstens ein Teilabschnitt seines Querschnittes im Wesentlichen keine Verdeckung zeigt. Beispielsweise hat bei einem Kühlloch 160 mit einem Durchmesser von etwa 0,9 mm (0,035 inches) bis etwa 1,0 mm (0,04 inches) die Öffnung 162 nach der Beschichtung bevorzugt einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (0,020 inches), oder in etwa die Hälfte des für das Kühlloch 160 beabsichtigen Durchmesser, so dass ein "Nachweisloch" sichtbar bleibt und durch die Beschichtungen hindurch zugänglich ist. Geeignete Techniken für die Erzeugung des Loches 160 beinhalten EDM, obwohl es vorhersehbar ist, dass das Loch 160 mittels weiterer Verfahren, wie zum Beispiel Gießen, Laser oder Bohren mit einem abtragenden Wasserstrahl, hergestellt werden können. Als Ergebnis des Bohrvorgangs hat das Loch 160 einen im Wesentlichen gleichmä ßigen kreisrunden Querschnitt und bildet einen nicht-senkrechten Winkel (Winkel α) zur Oberfläche 33.
Sobald das Loch 160 ausgebildet und die Haftschicht 212 und die Keramikschicht 214 aufgebracht sind, wird die Komponente (der Einsatz 52) mittels eines sorgfältig gesteuerten Vorgangs bearbeitet, der einen auf das Loch 160 gezielten unter Druck stehenden Fluidstrom, wie beispielsweise von der unbeschichteten Seite des Einsatzes 523 aus, anwendet, um so das in 5 dargestellte Kühlloch 160 und die Öffnung 162 zu erzeugen. Verschiedene Fluide könnten verwendet werden, wie zum Beispiel Luft oder Wasser, die ein Medium wie zum Beispiel Glasperlen oder Poliersand enthalten, um eine Abtragswirkung auf die über dem Loch 160 liegenden Beschichtungsmaterialien auszuüben.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Operation, wie hierin beschrieben, ausreichend Energie zuführt, um die Öffnung 162 auf die gewünschte Abmessung sowie den gewünschten Winkel durch Entfernen der keramischen TBC-Schicht jedoch nicht der Haftschicht oder des darunter liegenden Ausgangsmaterial, wie zum Beispiel des Metallsubstrats, zu vergrößern. Daher bleibt, obwohl die Operation die keramische Schicht 214 entfernt, der größte Teil oder die gesamte darunter liegenden Haftschicht 212 auf der Oberfläche der Öffnung angrenzend an das Kühlloch 160 erhalten, so dass die Haftschicht einen Schutz für die Kanten des Einsatzes in der Nähe des Kühlloches sowohl während der Herstellung als auch im Betrieb bereitstellt. Da die Operation mechanische Energie statt Wärmeenergie anwendet, beschädigt sie die das Loch 160 umgebende und die Kanten der sich ergebenden Lochöffnung 162 ausbildende Haftschicht 212 oder Keramikschicht 214 nicht oder lässt diese abplatzen.
Das Verfahren ist in der Lage, die Kühllöcher und Öffnungen durch eine keramische Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) und deren darunter liegendes Substrat geeignet zu bemessen und zu erzeugen. Der abtragende Fluidstrom dient auch zur Endbearbeitung des Loches und dessen Öffnung, einschließlich der gewünschten Größe und Form des Loches und der Öffnung ohne die das Kühlloch und die Öffnung umgebende Keramik zu entfernen oder zu beschädigen.
Wenn ein aus dem Einsatz zurückgegebenes Triebwerk, wie zum Beispiel das Triebwerk 10, zeigt, dass der Brennkammereinsatz 52 wenigstens ein beschädigtes Paneel 80 enthält, kann eine Vielfalt von Reparaturmethoden angewendet werden, um den Brennkammereinsatz 52 wieder in einen einsatzbereiten Zustand zu versetzen. Diese Reparaturverfahren können die Ersetzung des gesamten Einsatzes, eines vollständigen Paneels und/oder eines Abschnitt oder Segmentes eines Einsatzpaneels sowie eine Reparatur von Rissen, wie zum Beispiel durch Dichtschweißen dieser, umfassen.
Während einer Reparaturoperation werden normalerweise der gesamte Schmutz, Fremdmaterial und Beschichtungen von einer Komponente, wie zum Beispiel einem Brennkammereinsatz, entfernt, um eine detaillierte Untersuchung der Komponente zu ermöglichen. Alle Defekte in dem Substrat, wie zum Beispiel Risse, werden dann mittels geeigneter und zugelassener Verfahren, wie zum Beispiel Schweißen, Hartlöten oder Ersetzung diskreter Abschnitte der Komponente, repariert. Löcher, wie zum Beispiel Kühllöcher können aufgebohrt und/oder nach Bedarf repariert werden, um diesen wieder die korrekte Größe, Form und Muster zu geben.
Sobald die Oberflächen der Komponente in geeigneter Weise repariert worden sind, können die schützenden Wärmebarrieren beschichtungen auf die Komponentenoberflächen unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens aufgebracht werden. Da die endbearbeiteten Öffnungsabmessungen sorgfältig kontrolliert und durch ein entfernbares und ersetzbares Beschichtungssystem, wie hierin beschrieben, definiert werden, ist es möglich, den Reparaturvorgang durchzuführen und zu wiederholen während gleichzeitig die Abmessungen der endbearbeiteten Kühllöcher innerhalb der Spezifikationen gehalten werden.
Da Komponenten, wie zum Beispiel beschädigte Einsätze, unter Anwendung des hierin beschriebenen Verfahrens unter Einsatz leicht verfügbarer Beschichtungstechniken repariert werden, können Brennkammern unter Anwendung eines Reparaturvorgangs, der verbesserte Einsparungen im Vergleich zum Entfernen und Ersetzen gesamter Brennkammereinsätze oder großer Flecken oder vollständiger Paneele ermöglicht, wieder zum Einsatz gebracht werden.
Obwohl die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren im Zusammenhang mit Kühllöchern in einem Brennkammereinsatz eines Gasturbinentriebwerks beschrieben wurden, dürfte es sich verstehen, dass die Vorrichtungen und Verfahren nicht auf Gasturbinentriebwerke, Brennkammereinsätze oder Kühllöcher beschränkt sind. Ebenso sind das dargestellte Gasturbinentriebwerk und die Brennkammereinsatzkomponenten nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können stattdessen Komponenten sowohl des Gasturbinentriebwerks als auch des Brennkammereinsatzes unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die Erfindung mit Modifikati onen innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeignete Komponente, wobei die Komponente aufweist: ein eine Oberfläche der Komponente definierendes Substrat, wobei das Substrat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat; wenigstens eine Öffnung, die sich durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei die Öffnung eine erste offene Fläche hat; eine erste Beschichtung auf wenigstens einer von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung; und eine über der ersten Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung liegende zweite Beschichtung dergestalt, dass wenigstens ein Teilabschnitt der ersten Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung freigelegt ist; wobei die erste Beschichtung eine zweite offene Fläche definiert, welche kleiner als die erste offene Fläche ist.
Komponente nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung eine Kante überdeckt, die dort ausgebildet ist, wo die wenigstens eine Öffnung auf die wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche trifft.
Komponente nach Anspruch 1, wobei die Öffnung eine Achse definiert, welche einen 90° ausschließenden ersten Winkel mit einer Oberfläche des mit der ersten Beschichtung beschichteten Substrates bildet.
Komponente nach Anspruch 3, wobei die zweite Öffnungsfläche einen zweiten Winkel zu einer Oberfläche des Substrates bildet, welcher sich von dem ersten Winkel unterscheidet.
Komponente nach Anspruch 1, wobei die Komponente mehrere Öffnungen enthält.
Komponente nach Anspruch 1, wobei die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung ein Wärmebarrierensystem bilden.
Komponente nach Anspruch 6, wobei die erste Beschichtung ein Haftschichtmaterial ist.
Komponente nach Anspruch 6, wobei die zweite Beschichtung ein Keramikschichtmaterial ist.
Komponente nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein metallisches Material ist.
Komponente nach Anspruch 1, wobei die Komponente ein Brennkammereinsatz ist.
Verfahren zur Herstellung einer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten Komponente, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen der Komponente aus einem Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; Erzeugen wenigstens einer Öffnung durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche, wobei Öffnung eine erste offene Fläche hat; Aufbringen einer ersten Beschichtung auf die wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die erste Beschichtung unverdeckt bleibt; Aufbringen einer zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die zweite Beschichtung unverdeckt bleibt; und Entfernen der zweiten Beschichtung von der Öffnung, wobei der größte Teil oder die gesamte erste Beschichtung bestehen bleibt, um eine zweite offene Fläche zu definieren, welche kleiner als die erste offene Fläche ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei wenigstens eine von der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung in einem Winkel auf die wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei wenigstens einer von den Entfernungsschritten durch einen Strom abtragender Medien ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Strom abtragender Medien in einem Luftstrom schwebende Glasperlen enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Strom abtragender Medien durch die wenigstens eine Öffnung hindurch von ei ner nicht beschichteten Seite des Substrates aus gerichtet wird.
Verfahren zur Reparatur einer zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten Komponente, wobei die Komponente ein Substrat mit ersten und zweiten Oberflächen und wenigstens einer sich durch das Substrat hindurch von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckende Öffnung hat, wobei die Öffnung eine erste offene Fläche hat, und wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: das Entfernen von Beschichtungen von der Komponente; das Reparieren aller Defekte in dem Substrat der Komponente; Aufbringen einer ersten Beschichtung auf wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die erste Beschichtung unverdeckt bleibt; Aufbringen einer zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung angrenzend an die wenigstens eine Öffnung, wobei die Öffnung wenigstens teilweise durch die zweite Beschichtung unverdeckt bleibt; und Entfernen der zweiten Beschichtung von der Öffnung, wobei der größte Teil oder die gesamte erste Beschichtung bestehen bleibt, um eine zweite offene Fläche zu definieren, welche kleiner als die erste offene Fläche ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei wenigstens eine von der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung in einem Winkel auf die wenigstens eine von der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei wenigstens einer von den Entfernungsschritten durch einen Strom abtragender Medien ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Strom abtragender Medien in einem Luftstrom schwebende Glasperlen enthält.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Strom abtragender Medien durch die wenigstens eine Öffnung hindurch von einer nicht beschichteten Seite des Substrates aus gerichtet wird.