DE102017205788A1 - Heißgas-Bauteil für eine Gasturbine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heißgas-Bauteil (10) für eine Gasturbine, mit einer Wand, die bei bestimmungsgemäßen Einsatz des Heißgas-Bauteils einem ggf. korrosiven Heißgas aussetzbar ist. Um ein Heißgas-Bauteil mit erhöhter Temperaturbeständigkeit oder mit verbesserter Lebensdauer bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Wand aus einem Material besteht, welches zu der Gruppe der MAX-Phasen gehört.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heißgas-Bauteil für eine Gasturbine, mit einer Wand, die bei bestimmungsgemäßen Einsatz des Heißgas-Bauteils einem Heißgas aussetzbar ist.
  • Bekanntermaßen kann es sich bei den Heißgas-Bauteilen um Turbinenschaufeln von Kraftwerks-, Industrie- und Fluggasturbinen handeln, die höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen im Betrieb unterliegen. Damit diese Schaufeln eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen und zugleich einen sicheren Betrieb der Gasturbine gewährleisten, sind die Turbinenschaufeln moderner Gasturbinen innengekühlt.
  • Üblicherweise werden derartige Turbinenschaufeln im Gießverfahren aus einem Material hergestellt, welches den auftretenden Temperaturen weitestgehend Stand halten kann. Zur Erhöhung der Betriebstemperatur derartiger Turbinenschaufeln sind diese ggf. noch mit ein oder mehreren keramischen oder metallischen Schutzschichten versehen. Dennoch existieren Bereiche an Turbinenschaufeln, die besonders hohen Temperaturgradienten, welche zwischen Schaufelaußenseite und Schaufelinnenseite auftreten, ausgesetzt sind. Diese rufen besonders hohe mechanische Spannungen im Schaufelwerkstoff hervor, welche die Schaufellebensdauer und/oder den Temperatureinsatzbereich limitieren.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Heißgas-Bauteils für eine Gasturbine, deren Lebensdauer weiter verbessert ist bzw. die höheren Einsatztemperaturen dauerhaft Stand halten kann.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit einem Heißgas-Bauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Heißgas-Bauteil für eine Gasturbine eine Wand, die bei bestimmungsgemäßen Einsatz des Heißgas-Bauteils einem ggf. korrosiven Heißgas aussetzbar ist, wobei zumindest ein Teil der Wand ein Material aufweist, welches zu der Gruppe der MAX-Phasen gehört.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt mithin vor, besonders thermisch beanspruchte Bereiche eines Heißgas-Bauteils nicht aus dem bisherigen Material , zumeist einen Gussmaterial oder eine hochtemperaturfeste Superlegierung, herzustellen, sondern lokal einige Bereiche der Wand aus einem Material zu bilden, welches zu der Gruppe der MAX-Phasen gehört.
  • Unter MAX-Phasen versteht man hexagonale Karbide bzw. Nitride, die generell der Formel Mn+1AXn(MAX) entsprechen,
    wobei gilt:
    • n = 1 - 3,
    • M ein frühes Übergangsmetall ist,
    • A ein A-Gruppe-Element ist, meistens der CAS-Gruppe IIIA oder IVA (= Gruppe 13 und 14) zugehörig und
    • X entweder Kohlenstoff oder Stickstoff ist.
  • Frühe Übergangsmetalle können beispielsweise Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium und/oder Tantal sein. Beispiele für A-Gruppe-Elemente sind: Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Gallium, Germanium, Arsen, Kadmium, Indium, Zinn, Tellur oder Blei.
  • Das besondere an den MAX-Phasen ist, dass sie besondere chemische, physikalische, elektrische und auch mechanische Eigenschaften aufweisen, die sowohl metallischen als auch keramischen Charakteristiken bei unterschiedlichen Bedingungen entsprechen. Von besonderem Vorteil sind ihre hohe thermische Leitfähigkeit, ihre hohe thermische Schock-Widerstandsfähigkeit und ihre Toleranz gegen Beschädigungen.
  • Mithin nutzt die Erfindung insbesondere die gegenüber dem restlichen Material des Heißgas-Bauteils verbesserten Materialeigenschaften genau dort, wo sie erforderlich sind. Vorzugsweise werden Bereiche der Vorderkante eines aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatts und/oder die Schaufelblattspitze mit zumindest einer Anstreifkante von Turbinenschaufeln zumindest teilweise aus dem besagten MAX-Phasen-Material gebildet.
  • Es hat sich insbesondere die MAX-Phase Ti2AlC als besonders geeignet für den Einsatz in Turbinenschaufeln und Heißgas-Bauteilen von Gasturbinen herausgestellt, da dieses im Vergleich zu konventionellen Materialien von Heißgas-Bauteilen und anderen MAX-Phasen eine signifikant erhöhte Wärmeleitfähigkeit besitzt.
  • Besonders ist der Verbund von MAX-Phase und dem Gussmaterial, um die wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit der MAX-Phase zur thermischen und mechanischen Entlastung der restlichen Turbinenschaufel nutzen zu können. Die höhere Wärmeleitfähigkeit der MAX-Phase sorgt für einen effizienteren Abtransport der Wärme, beispielsweise an der Schaufelvorderkante. Dadurch erhöht sich zwar die Temperatur der Kühlluft im Inneren des Schaufelblatts aber gleichzeitig verringert sich die Temperatur an der äußeren Oberfläche des Schaufelblatts. Dies führt zu einem geringeren Temperaturgradienten über die Schaufelwand von außen nach innen und somit zu geringeren Spannungen im betreffenden Material. Folglich wird die Schaufel thermisch und mechanisch entlastet, so dass sie entweder bei höheren Temperaturen betrieben werden oder bei gleicher Einsatztemperatur eine längere Lebensdauer erreichen kann.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkung der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist. Es zeigen:
    • 1 in perspektivischer Ansicht eine Turbinenleitschaufel mit in der Anströmkante vorgesehenen Elementen aus MAX-Phasen,
    • 2 einen Querschnitt durch die Vorderkante eines
    • Schaufelblatts der Turbinenschaufel aus 1, 3 in perspektivischer Darstellung die Schaufelspitze eines Schaufelblatts einer Turbinenlaufschaufel und
    • 4 eine schematische Darstellung der Schaufelspitze aus 3.
  • Die 1 zeigt als ein erstes Beispiels eines Heißgas-Bauteils 10 für eine Gasturbine eine Turbinenleitschaufel 12. Üblicherweise umfasst diese neben einem Fußteil 14 ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 16 sowie ein Kopfteil 18. Bekanntermaßen ist die Turbinenschaufel 12 in Betrieb einem Heißgas HG aussetzbar. Das Schaufelblatt 16 umfasst eine von Heißgas HG anströmbare Vorderkante 20 sowie eine Hinterkante 22. Im Betrieb wird das Schaufelblatt 16 von Heißgas HG umströmt. Da insbesondere das auf der Vorderkante 20 auftreffende Heißgas HG zu einer besonders hohen thermischen Belastung dort führt, sind nun erfindungsgemäß Teile der Vorderkante lokal aus einem Material gebildet, welches zu der Gruppe der MAX-Phasen gehört. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 24 elliptisch ausgebildet und längs der Vorderkante 20 vom Fußteil 14 ausgehend in Richtung Kopfteil 18 verteilt. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass über die gesamte Kanalhöhe des Heißgas-Strömungspfads die Vorderkante 20 aus MAX-Phasen besteht. Auch die Verwendung von größeren Abschnitten als dargestellt ist ebenso möglich. Nach Einbettung der Elemente 24 aus MAX-Phasen in die Heißgas-Wand der Turbinenschaufel 12 können zumindest Teile der Heißgas-Außenfläche ein oder mehrere Schutzschichten aufweisen. Ob diese Schutzschichten selber Bestandteile aus MAX-Phasen aufweisen, ist unerheblich.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorderkante der Turbinenschaufel 12 nach 1. Das Schaufelblatt 16 ist im Wesentlichen durch einen Gießprozess hergestellt worden, so dass ein signifikanter Anteil des Schaufelblatts 16 aus einem Gussmaterial 26 besteht. Im Bereich der Vorderkante 20 jedoch wurde ein Abschnitt des Gussmaterials 26 entfernt oder im Gussprozess ausgelassen und durch ein Material ersetzt, welches zu der besagten Gruppe gehört. Aufgrund der angegebenen Eigenschaften weist die erfindungsgemäße Turbinenschaufel im Bereich der Vorderkante 20 eine verbesserte Lebensdauer auf, verglichen mit einer konventionellen Turbinenschaufel. Die Verbindung vom Grundmaterial mit der MAX-PHASE kann z.B. durch Löten oder Schweißen kraft- und/oder formschlüssig erfolgen.
  • Bevorzugter Maßen besteht die MAX-Phase aus Ti2AlC. Dieser Werkstoff zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er eine weiter verbesserte Verschleißbeständigkeit besitzt. Besonders vorteilhaft ist seine Eigenschaft, dass er eine schützende Al2O3-Oxidschicht (3, 38) ausbildet, die besonders korrosionsfest ist.
  • 3 zeigt die Schaufelspitze 28 einer freistehenden Turbinenlaufschaufel 30, an deren nach außen weisende Oberfläche 32 eine umlaufende Anstreifkante 34 ausgebildet ist. Die Turbinenschaufel 30 ist somit ein weiteres Beispiel für ein Heißgas-Bauteil 10 einer Gasturbine. Weitere Heißgas-Bauteile können beispielsweise Ringsegmente, welche den Schaufelspitzen von Laufschaufeln gegenüberliegen und am Gehäuse befestigt sind und/oder Auskleidungen einer Brennkammer sein. Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können einige Elemente 36 der Dichtspitze oder auch die gesamte Dichtspitze MAX-Phasen aufweisen. Die MAX-Phasen-Bereiche einer solchen Composite-Schaufelspitze können entweder als Einlegeteile im Gussprozess vorliegen, so dass die Struktur mit Schmelze infiltriert wird oder hinterher mittels eines Fügeverfahrens (z.B. Löten bzw. Diffusionslöten) aufgebracht wird. Alternativ kann MAX-Phasen-Pulver oder Granulat beim Laserpulver-Auftragsschweißen beigemengt werden. Unabhängig vom Herstellungsprozess bilden sich an den Grenzflächen von MAX-Phasen und dem restlichen Grundwerkstoff 40 der Wand, zumeist eine Superlegierung, Karbidsäume 42 (4) ab, die bei Kohlenstoff in die Schmelze eindiffundieren wird. Dies führt dazu, dass auch die Superlegierung selbst lokal eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Verschleiß aufweist. Damit kann eine geringfügige Notlaufeigenschaft erreicht werden.
  • Insgesamt betrifft somit die Erfindung ein Heißgas-Bauteil 10 für eine Gasturbine, mit einer Wand, die bei bestimmungsgemäßen Einsatz des Heißgas-Bauteils einem ggf. korrosiven Heißgas aussetzbar ist. Um ein Heißgas-Bauteil mit erhöhter Temperaturbeständigkeit oder mit verbesserter Lebensdauer bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Wand aus einem Material besteht, welches zu der Gruppe der MAX-Phasen gehört.

Claims (7)

  1. Heißgas-Bauteil (10) für eine Gasturbine, mit einer Wand, die bei bestimmungsgemäßen Einsatz des Heißgas-Bauteils einem korrosiven Heißgas aussetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wand ein Material aufweist, welches zu der Gruppe der MAX-Phasen gehört.
  2. Heißgas-Bauteil (10) nach Anspruch 1, ausgestaltet als Turbinenschaufel (12, 30), umfassend zumindest ein Schaufelblatt (16) mit einer von einem Heißgas (HG) anströmbaren Vorderkante (20) und einer Hinterkante (22).
  3. Heißgas-Bauteil (10) nach Anspruch 2, bei dem zumindest Teile der Vorderkante (20) und/oder der daran angrenzende Bereiche aus MAX-Phasen gebildet sind.
  4. Heißgas-Bauteil (10) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Schaufelblatt (16) eine Schaufelspitze (28) mit zumindest einer Anstreifkante (34) umfasst, bei der zumindest Teile zumindest einer der Anstreifkanten (34) aus MAX-Phasen gebildet sind.
  5. Heißgas-Bauteil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf der dem Heißgas (HG) zugewandten Oberfläche der Wand ein oder mehrere Schutzschichten aufgebracht sind, die vorzugsweise MAX-Phasen-frei sind.
  6. Heißgas-Bauteil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Material der restlichen Wand ein Gussmaterial, insbesondere eine Superlegierung ist.
  7. Heißgas-Bauteil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die MAX-Phase aus Ti2AlC gebildet ist.
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