DE102015215298A1

DE102015215298A1 - CMC Komponente mit gestapelten Schichten

Info

Publication number: DE102015215298A1
Application number: DE102015215298.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lampenscherf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-02-16
Also published as: WO2017025451A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine CMC-Komponente, insbesondere ein Turbinenbestandteil (I), insbesondere eine Leitschaufel oder Laufschaufel (L), aufweisend eine Aufeinanderfolge von Laminat-artigen Schichten (S), wobei die Schichten aus zueinander unterschiedlichen keramischen Faserverbundwerkstoff-Zusammensetzungen bestehen.

Description

CMC steht für „ceramic matrix composites“ und kann in das Deutsche mit „Verbundwerkstoffe mit einer keramischen Matrix“ oder „Keramische Faserverbundwerkstoffe“ übersetzt werden.
Keramische Faserverbundwerkstoffe sind eine Werkstoffklasse innerhalb der Gruppe der Verbundwerkstoffe. Sie sind charakterisiert durch keramische Fasern, die in einen Keramikwerkstoff eingebettet sind und ihn dadurch mechanisch verstärken.
Matrix und Fasern können im Prinzip aus allen bekannten keramischen Werkstoffen bestehen (oxidisch und nicht-oxidisch), wobei in diesem Zusammenhang auch Kohlenstoff als keramischer Werkstoff behandelt wird.
Die Erfindung betrifft ein thermisch und/oder mechanisch belastetes Bauteil, insbesondere ein Turbinenbestandteil, beispielsweise eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel, die eine Aufeinanderfolge von Schichten aufweist. Die Erfindung betrifft ebenso eine entsprechende Verwendung.
Herkömmlicherweise werden für Komponenten oder Bestandteile des Heißgaspfades von Gasturbinen Nickel-Basis-Superlegierungen mit zusätzlichen Schutzummantelungen verwendet. Vor dem Hintergrund der langjährigen Geschichte der bisherigen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen und den erreichten Fortschritten der vergangenen Jahre erscheint es als fraglich, ob die Temperaturbeständigkeit dieser Nickel-Basis-Superlegierungen noch signifikant verbessert werden kann.
Weiterhin sind keramische Verbundmaterialien bekannt, wie es beispielsweise die keramischen Faserverbundwerkstoffe sind, die durch ihre verbesserte Temperaturbeständigkeit, kleinere Dichte und besseren Oxidationswiderstand eine alternative Materiallösung zu den Nickel-Basis-Superlegierungen darstellen. Der begrenzte Risswiderstand und die begrenzte Schadenstoleranz von keramischen Materialien kann wesentlich durch die Faserverstärkung verbessert werden. Die mechanische Belastbarkeit von herkömmlicher Weise verwendeten Ox-Ox-CMC-Bestandteilen ist allerdings infolge von Versprödung der Fasern (insbesondere aufgrund Kornwachstum), Versintern der Matrix und Reaktionen von Matrix und/oder Faser mit der Umgebungsatmosphäre (z.B. Wasserdampfkorrosion) bei hohen Temperaturen begrenzt. Folglich ist die Verwendung von herkömmlichen Ox-Ox-CMC-Komponenten in Gasturbinen auf stationäre Komponente bzw. Bestandteile mit einer moderaten thermischen und/oder mechanischen Belastung begrenzt.
Zur Überwindung dieser Beschränkungen wurden bereits hybride Entwurfskonzepte vorgeschlagen, die gestapelte Ox-Ox-CMC-Laminate verwenden, die durch einen zusätzlichen Metallkern verstärkt sind. Dies ermöglicht die Vergrößerung der erlaubten Betriebstemperatur der Ox-Ox-CMC-Bestandteile, da diese die wesentliche strukturelle Last nicht tragen, aber zu einem wirksamen thermischen Schutz beitragen. Jedoch gibt es weiterhin eine maximal mögliche Temperatur für die Ox-Ox-CMC-Bestandteile, um die erforderliche strukturelle Integrität zu gewährleisten. Dies verursacht Entwurfsrandbedingungen und mögliche Zuverlässigkeitsaufgaben in Bereichen, wo eine Kühlluftzufuhr schwierig ist, und zwar beispielsweise im Bereich einer Hinterkante einer Leitschaufel.
Es ist Aufgabe ein strukturelles Materialsystem mit einer ausreichenden mechanischen Stabilität, beispielsweise hinsichtlich Kriechfestigkeit, Bruchfestigkeit, Schadentoleranz, sowie einer wesentlich höheren Temperaturfestigkeit und einer Beständigkeit gegen Umwelteinflüssen unter Betriebsbedingungen für Turbinenbestandteile bereitzustellen. Es soll ein thermischer Wirkungsgrad für eine Leistungsbereitstellung von Turbinensystemen mittels Vergrößerung einer Betriebstemperatur und/oder mittels einer Verkleinerung einer zur Bereitstellung einer sicheren strukturellen Stabilität von thermisch belasteten Bestandteilen erforderlichen Kühlluftmenge vergrößert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Turbinenbestandteil gemäß dem Hauptanspruch und eine entsprechende Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Turbinenbestandteil, insbesondere eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel, vorgeschlagen, das eine Aufeinanderfolge von Laminaten oder Schichten aufweist, die aus unterschiedlichen keramischen Faser-Verbundwerkstoff-Zusammensetzungen je Schicht bestehen.
Es wird damit vorgeschlagen, ein herkömmliches Ox-Ox-CMC-gestapeltes Laminat-Konzept weiterzuentwickeln, und zwar derart, dass eine Gesamttemperaturstabilität sowie eine strukturelle Stabilität im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden. Es erfolgt eine vorteilhafte Kombination von verschiedenen CMC-Materialien, um herkömmliche Leistungsfähigkeitseinschränkungen von Turbinenkomponenten beruhend auf dem gestapelten Laminat-CMC-Konzept zu überwinden.
Es wird vorgeschlagen, die Temperatur und mechanische Last-Beständigkeit von gestapelten Laminat-CMC-Komponenten mittels Verwendung von CMC-Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zum Stand der Technik zu verbessern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die unterschiedlichen Schichten aus Sauerstoffverbindungen oder aus Nicht-Sauerstoffverbindungen bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die aus Sauerstoffverbindungen bestehenden Schichten Ox-Ox-CMC-Schichten sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die aus Nicht-Sauerstoffverbindungen bestehenden Schichten SiC-SiC-CMC-Schichten sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Dicken der jeweiligen Schichten zum Standhalten einer thermischen und einer mechanischen Beanspruchung ausgewählt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Reihenfolge der keramischen Faser-Verbundwerkstoff-Zusammensetzungen der Schichten zum Standhalten einer thermischen und einer mechanischen Beanspruchung ausgewählt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten und/oder die Reihenfolgen mittels Simulation von Wärmeflüssen und/oder mechanischen Kräften ausgewählt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten abwechselnd aus zwei unterschiedlichen keramischen Faser-Verbundwerkstoff-Zusammensetzungen bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Dicken der Schichten gleich sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten als Laminate erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten ein einen aufgeteilten Metallkern aufweisendes Laminat-Profil mit einer Hinterkante ausbilden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Turbinenbestandteils;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbinenbestandteils.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Turbinenbestandteils I. Ein Beispiel eines herkömmlichen Komponentendesignkonzeptes, das auf einem Stapel von laminierten Ox-Ox-CMC-Komponenten beruht. Die Temperatur und die mechanische Standhaltungsfähigkeit bzw. Leistungsfähigkeit einer gestapelten Laminat-CMC-Komponente beruht in erster Linie auf einer Ox-Ox-CMC-Komponente, insbesondere infolge von Körnerwachstum und Reaktionen mit der Matrix und/oder der Umgebung bei großer Temperatur. Entsprechend sind verbesserte ... zum Schutz vor thermischen Einflüssen oder Umwelteinflüssen erforderlich. Ebenso ist eine ausreichende Kühlluftzufuhr über einen Metallkern M erforderlich. Jedoch ist die Leistungsfähigkeit und die Stabilität des Ummantelungssystems ebenso wie die Kühlluftzufuhr begrenzt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbinenbestandteils I. 2 zeigt ein Beispiel einer Leitschaufel oder einer Laufschaufel L in Ausgestaltung eines Laminat-Profils für eine Turbine, insbesondere Gasturbine. Das Laminat-Profil ist als ein gestapelter und laminierter CMC-Flügel mit wechselnden CMC-Materialschichten geschaffen. Diese Materialschichten weisen einerseits Ox-Ox-Bestandteile und andererseits SiC-SiC-Material auf. Die SiC-SiC-CMC-Schichten weisen eine im Vergleich zum Stand der Technik größere Temperaturbeständigkeit, und zwar um 100 K größer auf. Dies bewirkt eine Vergrößerung der gesamten strukturellen Integrität des gestapelten und laminierten CMC-Turbinenbestandteils I. Dieses Turbinenbestandteil I ist hier die Laufschaufel L, die einen Stapel von Schichten S aufweist. Aufgrund der abwechselnden Schichtzusammensetzungen ist es möglich, die strukturelle Integrität insbesondere von schwer zu kühlenden Bereichen der Laufschaufel L, beispielsweise im Bereich einer Hinterkante H zu gewährleisten. Die Dicken der verschiedenen CMC-Schichten, die hier Oxid- oder Nicht-Oxid-Schichten sind, sowie die Stapelfolge sind die Schlüsselgeometrie- und Design-Parameter zur Einstellung von thermischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich eines Wärmeflusses, zur Vermeidung von thermischen Fehlanpassungen und der strukturellen Stabilität des laminierten CMC-Stapels. Zur Bereitstellung einer optimalen CMC-Schichtdickenverteilung und einer Stapelreihenfolge werden Wärmeübergangs- und thermo-mechanische Belastungssimulationen vorgeschlagen.
Die Kombination von Ox-Ox-CMC-Schichten, die aufgrund deren kleiner thermischer Leitfähigkeit einen wirksamen thermischen Schutz ausbilden, und von SiC-SiC-CMC-Schichten mit einer großen thermischen Stabilität, in Verbindung mit einer Auswahl von Dicken und Stapelreihenfolgen ermöglicht eine wesentlich verbesserte Temperaturbeständigkeit und eine vergrößerte strukturelle Integrität von gestapelten und laminierten CMC-Bestandteilen.
Die Erfindung betrifft eine CMC-Komponente, insbesondere ein Turbinenbestandteil, insbesondere eine Leitschaufel oder Laufschaufel, aufweisend eine Aufeinanderfolge von Laminatartigen Schichten, wobei die Schichten aus zueinander unterschiedlichen keramischen Faserverbundwerkstoff-Zusammensetzungen bestehen.
Ein Laminat ist ein Produkt, das insbesondere aus zwei oder mehreren flächig miteinander verklebten Schichten besteht.

Claims

CMC-Komponente, insbesondere Turbinenbestandteil (I), insbesondere Leitschaufel oder Laufschaufel (L), aufweisend eine Aufeinanderfolge von Laminaten oder Schichten (S), dadurch gekennzeichnet, dass die Laminate oder Schichten aus zueinander unterschiedlichen keramischen Faserverbundwerkstoff-Zusammensetzungen bestehen.
CMC-Komponente gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Schichten aus Sauerstoffverbindungen oder aus Nicht-Sauerstoffverbindungen bestehen.
CMC-Komponente gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Sauerstoffverbindungen bestehenden Schichten Ox-Ox-CMC-Schichten sind.
CMC-Komponente gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Nicht-Sauerstoffverbindungen bestehenden Schichten SiC-SiC-CMC-Schichten sind.
CMC-Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken jeweiliger Schichten zum Standhalten einer thermischen und/oder einer mechanischen Beanspruchung ausgewählt sind.
CMC-Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der keramischen Faserverbundwerkstoff-Zusammensetzungen der Schichten zum Standhalten einer thermischen und/oder einer mechanischen Beanspruchung ausgewählt ist.
CMC-Komponente gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken und/oder die Reihenfolge mittels Simulation von Wärmeflüssen und/oder mechanischen Kräften ausgewählt sind/ist.
CMC-Komponente gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Schichten gleich sind.
CMC-Komponente gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten abwechselnd aus zwei unterschiedlichen keramischen Faserverbundwerkstoff-Zusammensetzungen bestehen.
CMC-Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten als Laminate erzeugt sind.
CMC-Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten ein einen aufgeteilten Metallkern (M) aufweisendes Laminarprofil mit einer Hinterkante (H) ausbilden.
Verwendung einer CMC-Komponente, insbesondere eines Turbinenbestandteils gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Gasturbine.