DE102017214259A1 - Turbine component, manufacturing method thereto - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente, insbesondere eine hochtemperaturgeeignete Turbinenkomponente wie beispielsweise eine Gasturbinenkomponente. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Turbinenkomponente aus Hybridmaterial. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente in Hybridtechnik aus CMC-Material und Metall. Es wird die Übertragung der wirkenden Kräfte auf die metallische Trägerstruktur bei gleichzeitiger Abschattung dieser durch einen Laminatlagenstapel aus keramischem Faserverbundmaterial vorgeschlagen. So wird die Möglichkeit der Nutzung der Hybridtechnik für rotierende Turbinenkomponenten geschaffen. Die Übertragung der Belastung durch Zentrifugalkräfte wird im Wesentlichen durch einen verzahnten Aufbau der metallischen Trägerstruktur mit dem Laminatlagenstapel und durch eine abschließende Metalllage geschaffen.The invention relates to a turbine component, in particular a high-temperature suitable turbine component such as a gas turbine component. In particular, the invention relates to a turbine component of hybrid material. In addition, the invention relates to a method for producing a turbine component in hybrid technology of CMC material and metal. It is proposed the transmission of the forces acting on the metallic support structure while shading them by a laminate layer stack of ceramic fiber composite material. Thus, the possibility of using the hybrid technology for rotating turbine components is created. The transmission of the load by centrifugal forces is essentially created by a toothed structure of the metallic carrier structure with the laminate layer stack and by a final metal layer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente, insbesondere eine hochtemperaturgeeignete Turbinenkomponente wie beispielsweise eine Gasturbinenkomponente. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Turbinenkomponente aus Hybridmaterial. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente in Hybridtechnik aus CMC-Material und Metall.The invention relates to a turbine component, in particular a high-temperature suitable turbine component such as a gas turbine component. In particular, the invention relates to a turbine component of hybrid material. In addition, the invention relates to a method for producing a turbine component in hybrid technology of CMC material and metal.

Die Effizienzerhöhung von Gasturbinen findet im Spannungsfeld zwischen dem Material der Turbinenkomponenten und Heißgas statt. So werden hochtemperaturstabile, mechanisch hoch belastbare, möglichst oxidationsunempfindliche Materialien zur Herstellung der Turbinenkomponenten, wie beispielsweise der Lauf- und Leitschaufeln von Gasturbinen, eingesetzt, die mit Kühlsystemen ausgestattet sind, damit die daraus hergestellten Komponenten während des Betriebs ausreichend gekühlt sind.The increase in efficiency of gas turbines takes place in the field of tension between the material of the turbine components and hot gas. Thus, high-temperature stable, mechanically highly resilient, oxidation-insensitive as possible materials for the production of turbine components, such as the blades and vanes of gas turbines, used, which are equipped with cooling systems, so that the components produced therefrom are sufficiently cooled during operation.

Substantielle Verbesserung der thermischen Effizienz von Kraftwerks-Gasturbinen-Systemen wird durch Erhöhung der Betriebstemperatur des Heißgases und/oder einer Kühlstrategie für die Lauf- und /oder Leitschaufeln, die mit möglichst geringer Menge an Kühlluft auskommt, erreicht.Substantial improvement in the thermal efficiency of power plant gas turbine systems is achieved by increasing the operating temperature of the hot gas and / or a cooling strategy for the rotor and / or vanes, which requires the least possible amount of cooling air.

Bislang werden Nickel-Superlegierungen mit zusätzlich aufgebrachten Schutzbeschichtungen für die Heißgas-belasteten Bauteile von Gasturbinen eingesetzt.To date, nickel superalloys have been used with additional protective coatings for the hot gas-loaded components of gas turbines.

Die Anforderungen an Material für diese Bauteile sind insbesondere im Hinblick auf Kriechbeständigkeit, Dauerstandbeständigkeit, Bruchbeständigkeit, Schadenstoleranz extrem hoch.The requirements for material for these components are extremely high, especially with regard to creep resistance, creep rupture resistance, breakage resistance and damage tolerance.

Ein neues Materialkonzept für Gasturbinenkomponenten sieht den Einsatz von so genannten Hybridstrukturen vor, bei denen auf metallischen Trägerstrukturen keramische Laminate aus keramischem Faserverbundmaterial CMC (Ceramic Matrix Composite) aufgebaut werden.A new material concept for gas turbine components envisages the use of so-called hybrid structures, in which ceramic laminates of ceramic fiber composite material CMC (Ceramic Matrix Composite) are built on metallic support structures.

Aus der PCT/US2015/023017 ist eine Turbinenkomponente mit einer metallischen Trägerstruktur auf der ein Stapel von Laminatlagen aus einem keramischen Faserverbundmaterial aufgebaut ist, bekannt. Die vorliegende Entwicklung basiert auf diesen grundlegenden Arbeiten und der Offenbarungsgehalt dieser älteren Anmeldung ist deshalb auch Teil der vorliegenden Beschreibung.From the PCT / US2015 / 023017 For example, a turbine component having a metallic support structure on which a stack of laminated layers of a ceramic fiber composite material is constructed is known. The present development is based on this basic work and the disclosure of this earlier application is therefore also part of the present description.

Die CMC-Materialien können in der Regel Temperaturen bis zu 1500°C, insbesondere bis zum 1200°C, aushalten. Es besteht der Bedarf an CMC-Materialien, die auch bei höherer Temperatur stabil sind.The CMC materials can generally withstand temperatures up to 1500 ° C, in particular up to 1200 ° C. There is a need for CMC materials that are stable even at higher temperatures.

CMC-Materialien haben eine keramische Matrix, in der keramische Verstärkungsfasern, insbesondere lange oder Endlosfasern, eingebettet sind. Insbesondere zur Nutzung der Verstärkungswirkung der Verstärkungsfasern ist es vorteilhaft, das CMC-Material in Form von einzelnen Lagen, innerhalb derer eine bestimmte Vorzugsrichtung der Faserverstärkung besteht, als Laminat einzusetzen.CMC materials have a ceramic matrix in which ceramic reinforcing fibers, especially long or continuous fibers, are embedded. In particular, to use the reinforcing effect of the reinforcing fibers, it is advantageous to use the CMC material in the form of individual layers, within which a certain preferred direction of the fiber reinforcement, as a laminate.

Zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit werden die Laminatlagen beispielsweise auf metallische Trägerstrukturen aufgebracht. Damit eine Designoptimierung möglich wird, ist aus der PCT/US2015/023017 bekannt, diese metallischen Trägerstrukturen mittels additiver Fertigungsverfahren, insbesondere mittels Selektive Laser Sintering, Selektiv Laser Melting, Multi Jet Fusion, Electron Beam Melting und/oder Laser Metal Deposition vor/nach oder während des Aufbaus der CMC-Laminatlagen-Stapel herzustellen. To improve the mechanical strength of the laminate layers are applied, for example, to metallic support structures. For a design optimization is possible from the PCT / US2015 / 023017 It is known to produce these metallic carrier structures by means of additive manufacturing methods, in particular by means of selective laser sintering, selective laser melting, multi-jet fusion, electron beam melting and / or laser metal deposition before or after or during the construction of the CMC laminate layer stacks.

Nachteilig an den so hergestellten aus metallischer Trägerstruktur und CMC-Laminaten aufgebauten Turbinenkomponenten ist jedoch, dass die mechanische Belastbarkeit dieser Turbinenkomponenten, auch wegen der keramischen Eigenschaften der CMC-Laminate, wie beispielsweise Korngröße und/oder Kornwachstum, bisher auf nicht-rotierende Turbinenkomponenten beschränkt ist. Deshalb werden bislang die oben genannten Hybrid-Materialkonzepte für Turbinenkomponenten im Wesentlichen nur in Bezug auf stationäre Turbinenkomponenten eingesetzt.However, a disadvantage of the turbine components constructed from a metallic support structure and CMC laminates is that the mechanical strength of these turbine components, also because of the ceramic properties of the CMC laminates, such as grain size and / or grain growth, has hitherto been limited to non-rotating turbine components , Therefore, so far, the above-mentioned hybrid material concepts for turbine components are used essentially only with respect to stationary turbine components.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Konzept zur Verfügung zu stellen, wie der Einsatz dieser CMC-Metall-Hybridkonzepten auch für rotierende Turbinenkomponenten wie Turbinenblatt und/oder Leit- oder Laufschaufel realisiert werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a concept as to how the use of these CMC-metal hybrid concepts can also be realized for rotating turbine components such as turbine blade and / or guide blade or blade.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.This object is solved by the subject matter of the present invention as disclosed in the specification, figures and claims.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die größte Belastung auf Turbinenkomponenten wie beispielsweise Leit- oder Laufschaufeln in Hybridstruktur neben der hohen Temperatur die wirkenden Zentrifugalkräfte, also die Zugspannung in Radialrichtung, sind, so dass eine wirksame Verbindung zwischen der metallischen Trägerstruktur und einer obersten metallischen Laminatlage, diese Zentrifugalkräfte auf die metallische Trägerstruktur lenkt und somit die CMC-Materialkomponenten entlastet. Damit könnten die Nachteile des aus der PCT/US2015/023017 bekannten Standes der Technik überwunden werden.General knowledge of the invention is that the greatest burden on turbine components such as vanes or blades in hybrid structure in addition to the high temperature, the centrifugal forces acting, so the tensile stress in the radial direction, so that an effective connection between the metallic support structure and a top metallic Laminate layer, this centrifugal forces on the metallic support structure directs and thus relieves the CMC material components. This could be the disadvantages of the PCT / US2015 / 023017 known prior art overcome.

Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung eine Turbinenkomponente, auf einer Plattform zumindest eine metallische Trägerstruktur, die von einem Laminatlagen-Stapel aus CMC-Laminaten umgeben ist, umfassend, wobei die metallische Trägerstruktur den Laminatlagen-Stapel überragt und den oberen Abschluss des Laminatlagen-Stapels bildet. Accordingly, the subject matter of the invention is a turbine component comprising on a platform at least one metallic support structure surrounded by a laminate ply stack of CMC laminates, the metallic support structure overhanging the laminate ply stack and forming the top end of the laminate ply stack.

Insbesondere ist eine solche Turbinenkomponente erhältlich durch

  • - Stapeln einer Vielzahl von Laminatlagen aus keramischem Faserverbundmaterial CMC auf einer Plattform und aufeinander zur Ausbildung eines Laminatlagen-Stapels, wobei der Laminatlagen-Stapel zumindest eine Öffnung definiert,
  • - Aufbau einer metallischen Trägerstruktur innerhalb der durch die Laminatlagen gebildeten Öffnung durch Schmelzen und Wiedererstarren aufeinanderfolgender Schichten metallischen Precursormaterials vor, während oder nach dem Stapeln der Laminatlagen und
  • - Aufbau einer metallischen Lage als äußerste oder oberste Abschluss-Lage des CMC-Laminatlagen-Stapels durch Schmelzen und Wiedererstarren metallischen Precursormaterials.
In particular, such a turbine component is obtainable by
  • Stacking a plurality of laminate layers of ceramic fiber composite material CMC on a platform and on each other to form a laminate layer stack, wherein the laminate layer stack defines at least one opening,
  • - Forming a metallic support structure within the opening formed by the laminate layers by melting and Wiedererstarren successive layers of metallic precursor material before, during or after stacking the laminate layers and
  • - Construction of a metallic layer as the outermost or uppermost termination layer of the CMC laminate layer stack by melting and re-solidification of metallic precursor material.

Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinen-Komponente, folgende Verfahrensschritte umfassend:

  • - Stapeln einer Anzahl von Laminatlagen aus keramischem Faserverbundmaterial CMC auf einer Plattform und aufeinander zur Ausbildung eines Laminatlagen-Stapels, wobei jede der Laminatlagen zumindest eine Öffnung definiert und die Laminatlagen zum Stapel so aufeinander gelegt werden, dass eine Öffnung, deren Umfang ungefähr die metallische Trägerstruktur umgibt, gebildet wird,
  • - Aufbau einer metallischen Trägerstruktur zumindest innerhalb der zumindest einen durch den Laminatlagen-Stapel definierten Öffnung durch Schmelzen und Wiedererstarren aufeinanderfolgender Schichten metallischen Precursormaterials vor, während oder nach dem Stapeln der Laminatlagen und
  • - Aufbau einer metallischen Schicht als äußerste oder oberste Abschluss-Lage des CMC-Laminatlagen-Stapels durch Schmelzen und Wiedererstarren metallischen Precursormaterials im Verbund mit der metallischen Trägerstruktur.
In addition, the subject of the present invention is a method for producing a turbine component, comprising the following method steps:
  • Stacking a number of laminate layers of ceramic fiber composite material CMC on a platform and on each other to form a laminate ply stack, wherein each of the laminate ply defines at least one opening and the laminate layers are stacked against each other such that an opening whose perimeter is approximately the metallic support structure surrounds, is formed,
  • - Construction of a metallic support structure at least within the at least one opening defined by the laminate layer stack by melting and re-solidifying successive layers of metallic precursor material before, during or after stacking the laminate layers and
  • - Construction of a metallic layer as the outermost or topmost layer of the CMC laminate layer stack by melting and re-solidification of metallic precursor material in conjunction with the metallic support structure.

Als „Laminat“ wird vorliegend eine Lage oder ein flächiger Verbund aus zwei übereinander angeordneten Lagen von keramischem Verbundmaterial, beispielsweise CMC, bezeichnet.In the present case, a "laminate" is a layer or a two-dimensional composite of two layers of ceramic composite material, for example CMC, arranged one above the other.

Als „Laminatlagen-Stapel“ wird vorliegend ein Stapel aus mehreren übereinander angeordneten Laminaten bezeichnet, wobei die Anordnung übereinander nicht deckungsgleich sein muss, wohl aber deckungsgleich sein kann.In the present case, a "stack of laminates" is referred to as a stack of several laminates arranged one above the other, wherein the arrangement does not have to coincide with one another, but may be congruent.

Als „metallische Trägerstruktur“ wird vorliegend eine auf einer Plattform, wie beispielsweise einem Schaufelfuß, über ein generatives Fertigungsverfahren also im 3D-Verfahren aufgebaute metallische Struktur verstanden, um die beispielsweise ein Laminatlagen-Stapel herum angeordnet ist oder die einen Laminatlagen-Stapel trägt.In the present case, a "metallic support structure" is understood as meaning a metallic structure constructed on a platform, such as a blade root, via a generative manufacturing process in the 3D process, around which, for example, a laminate layer stack is arranged or which carries a laminate layer stack.

In einem Laminatlagen-Stapel können auch mehrere metallische Trägerstrukturen eingearbeitet sein.In a laminate ply stack also several metallic support structures can be incorporated.

Gemäß der Erfindung erstreckt sich der metallische Träger über die durch den Laminatlagen-Stapel definierte Öffnung hinaus und verbreitert sich dort zur Ausbildung des oberen oder äußeren Laminatlagen-Abschlusses. So wird die Last von radial wirkenden Ziehkräften einer rotierenden Turbinenkomponente auf die metallische Trägerstruktur übertragen und liegt nicht auf dem Laminatlagen-Stapel aus CMC-Material.In accordance with the invention, the metallic carrier extends beyond the opening defined by the laminate ply stack and widened there to form the upper or outer laminate ply termination. Thus, the load is transmitted to the metallic support structure by radially acting pulling forces of a rotating turbine component and does not lie on the laminate layer stack of CMC material.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren so geführt, dass auf der Plattform in einem

  • - ersten Verfahrensschritt eine unterste Laminatlage abgelegt wird, die zumindest eine Öffnung hat, in einem
  • - zweiten Verfahrensschritt über ein additives Fertigungsverfahren die metallische Trägerstruktur teilweise oder ganz die Öffnung füllend und gegebenenfalls noch die angrenzende Laminatlage bedeckend aufgebaut wird
  • - diese beiden ersten Verfahrensschritte zumindest zweimal ausgeführt werden und in einem
  • - abschließenden Verfahrensschritt über ein additives Fertigungsverfahren die metallische Trägerstruktur fertiggestellt wird.
According to an advantageous embodiment of the invention, the method is performed so that on the platform in a
  • - First step, a lowermost laminate layer is deposited, which has at least one opening, in one
  • - Second process step via an additive manufacturing process, the metallic support structure partially or completely filling the opening and optionally still the adjacent laminate layer is constructed covering
  • - These two first steps are performed at least twice and in one
  • - Final process step via an additive manufacturing process, the metallic support structure is completed.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die metallische Trägerstruktur möglichst vollflächig über die oberste Laminatlage.According to an advantageous embodiment of the invention, the metallic support structure extends as fully as possible over the uppermost laminate layer.

Während der Bildung der Turbinenkomponente in Hybridstruktur kann vorgesehen sein, dass zeitweise die metallische Trägerstruktur den Stapel aus Laminatlagen überragt oder umgekehrt.During the formation of the turbine component in a hybrid structure, it may be provided that at times the metallic carrier structure projects beyond the stack of laminate layers or vice versa.

Durch die Fertigung der metallischen Trägerstruktur vor, während und nach der Ablage der Laminatlagen zur Ausbildung des Stapels können verschiedene Designs realisiert werden, die besondere Kühlstrukturen ermöglichen.By manufacturing the metallic support structure before, during and after the deposition of the laminate layers to form the stack can various designs are realized, which enable special cooling structures.

Beispielsweise überlappt die metallische Trägerstruktur die eine oder andere Laminatlage zumindest teilweise, wobei beispielsweise die Ausbildung von verzahnten Strukturen, also eine Verzahnung des metallischen Trägers über die Kante des Laminatlagenstapels an der Öffnung hinaus, bevor die nächste Laminatlage abgelegt wird, erfolgt.For example, the metallic support structure at least partially overlaps the one or the other laminate layer, wherein, for example, the formation of toothed structures, ie a toothing of the metallic support beyond the edge of the laminate layer stack at the opening before the next laminate layer is deposited.

Auf diese Weise kann der Hybridaufbau optimiert werden, weil zum einen Kraft oder Spannung von der keramischen Lage auf die metallische Trägerstruktur und zum anderen Wärme von der metallischen Trägerstruktur auf die keramische Lage übertragen wird.In this way, the hybrid structure can be optimized because, on the one hand, force or stress is transferred from the ceramic layer to the metallic carrier structure and, on the other hand, heat is transferred from the metallic carrier structure to the ceramic layer.

Schließlich kann durch eine verzahnte Überlappung der metallischen Trägerstruktur mit der keramischen Lage die Ausbildung von Kühlstrukturen erzielt werden.Finally, the formation of cooling structures can be achieved by a toothed overlap of the metallic carrier structure with the ceramic layer.

Die Vorteile der Hybridstruktur sind vor allem auch darin zu sehen, dass durch die keramische Komponente ein ausgezeichneter Hitzeschild für die metallische Trägerstruktur aufgebaut werden kann und umgekehrt die metallische Trägerstruktur die mechanischen Belastungen der keramischen Komponente abnimmt. Zudem kann innerhalb der keramischen, innerhalb der metallischen und/oder schließlich im Grenzebereich, also im Interface zwischen keramischer Lage und metallischer Trägerstruktur die Kühlstruktur zur Führung der Kühlluft vorgesehen sein. Dabei können durch die generativen Fertigungsmethoden beliebig komplexe Strukturen realisiert werden.Above all, the advantages of the hybrid structure can also be seen in the fact that the ceramic component makes it possible to build up an excellent heat shield for the metallic carrier structure and conversely that the metallic carrier structure decreases the mechanical loads on the ceramic component. In addition, the cooling structure for guiding the cooling air can be provided within the ceramic, within the metallic and / or finally in the boundary region, ie in the interface between the ceramic layer and the metallic support structure. The generative production methods can be used to realize arbitrarily complex structures.

Die metallische Trägerstruktur wird aus hochtemperaturbeständigen Metallen wie sämtlichen Refraktärmetallen, Wolfram, Molybdän, für Heißgasanwendungen bekannt Nickellegierungen wie Nickel- und/oder Cobalt-Superlegierungen, eingesetzt. Unter „Super-Legierungen“ werden dabei Hoch-Oxidations-, Korrosions- und Temperatur-beständige Legierungen, die für Heißgasturbinenbauteile bekannt sind. Diese werden als entsprechende metallische Precursoren durch bekannte 3D-Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile eingesetzt.The metallic support structure is used in high temperature resistant metals such as all refractory metals, tungsten, molybdenum, nickel alloys known for hot gas applications, such as nickel and / or cobalt superalloys. By "super alloys" are meant high-oxidation, corrosion and temperature-resistant alloys known for hot gas turbine components. These are used as corresponding metallic precursors by known 3D methods for producing metallic components.

Die keramischen Verbundwerkstoffe, auch als CMCs bezeichnet, können beispielsweise oxidisch basierte CMCs und/oder Metall-Carbid-basierte CMCs sein. Oxidisch basierte CMCs umfassen beispielsweise eine bettende Matrix aus einem Metalloxid wie Aluminiumoxid, Mullit und/oder Siliziumoxid. Metall-Carbid basierte CMCs umfassen beispielsweise eine bettende Matrix aus einem Siliziucarbid oder einem mit stickstof und/oder Bor angereichertem Metallcarbid. Siliziumcarbid ist vorliegend auch von dem Oberbegriff „Metall-Carbid“ mit umfasst.The ceramic composites, also referred to as CMCs, may be, for example, oxide-based CMCs and / or metal-carbide-based CMCs. Oxide-based CMCs include, for example, a bedding matrix of a metal oxide such as alumina, mullite and / or silica. For example, metal carbide based CMCs include a bedding matrix of a silicon carbide or a nitrogen and / or boron enriched metal carbide. Silicon carbide is in the present case also encompassed by the generic term "metal carbide".

Die Verstärkungsfaser im CMC kann aus gleichem oder verschiedenem Material wie die bettende Matrix sein. The reinforcing fiber in the CMC may be of the same or different material as the bedding matrix.

Bei gemäß chemischer Analyse gleichem Material kann sich die Verstärkungsfaser von dem Material der bettenden Matrix beispielsweise durch den Kristallisationsgrad, durch eine oder mehrere Dotierstoffe, durch die Modifikation und/oder durch die Korngröße von dem der bettenden Matrix unterscheiden.In the case of material which is the same according to chemical analysis, the reinforcing fiber may differ from the material of the bedding matrix, for example by the degree of crystallinity, by one or more dopants, by the modification and / or by the particle size of the bedding matrix.

Die Faserverstärkung kann als Faser, Endlosfaser, Faserbündel, Fasergewebe und/oder dreidimensionaler Faserverbund vorliegen. Dabei können die Faser, die ein Faserbündel, ein Fasergewebe und/oder einen dreidimensionalen Faserverbund bilden, gleich oder verschieden sein.The fiber reinforcement can be in the form of fiber, continuous fiber, fiber bundle, fiber fabric and / or three-dimensional fiber composite. The fiber, which form a fiber bundle, a fiber fabric and / or a three-dimensional fiber composite, may be the same or different.

Insbesondere kann in der bettenden keramischen Matrix eine keramischen Faser, ausgewählt aus der Gruppe folgender Fasern: Aluminiumoxid, Mullit, Siliziumoxid, Yttrium-Aluminium-oxid, auch beispielsweise mit Zirkoniumoxid versetzt, vorliegen.In particular, in the bedding ceramic matrix, a ceramic fiber selected from the group consisting of the following fibers: alumina, mullite, silica, yttrium-aluminum oxide, for example, with zirconium oxide added, are present.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann die keramische Faserverstärkung ganz oder teilweise durch eine metallische Faserverstärkung ergänzt oder ersetzt sein. Dabei sind metallische Fasern bevorzugt, die wärmedämmende Eigenschaften haben.According to an advantageous embodiment, the ceramic fiber reinforcement may be wholly or partially supplemented or replaced by a metallic fiber reinforcement. In this case, preference is given to metallic fibers which have heat-insulating properties.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die jeweils Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher erläutert:

  • 1a und 1b zeigen den Stand der Technik, wie er aus der PCT/US2015/023017 bekannt ist,
  • 2a und 2b zeigen eine Ausführungsform der Erfindung mit einer metallischen Abschlusslage des Laminatlagenstapels und
  • 3a und 3b zeigen Ausführungsformen, wie ein Laminatlagenstapel im Inneren aufgebaut sein kann.
In the following the invention will be explained in more detail with reference to figures which each show embodiments of the invention:
  • 1a and 1b show the state of the art, as he from the PCT / US2015 / 023017 is known
  • 2a and 2 B show an embodiment of the invention with a metallic end layer of the laminate layer stack and
  • 3a and 3b show embodiments how a laminate layer stack can be constructed inside.

1 zeigt eine Plattform 1, beispielsweise einen Schaufelfuß einer Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine. Auf der Plattform befindet sich in dem hier gezeigten Beispiel ein herkömmliches Schaufelblatt, allerdings nur hälftig. Gemäß 1a befindet sich auf dem Schaufelblattrumpf 2 eine Lage 3 aus CMC, die zwei Öffnungen 4 aufweist. In diesen Öffnungen wird über ein generatives Fertigungsverfahren eine metallische Trägerstruktur 5 aufgebaut. 1 shows a platform 1 For example, a blade root of a guide or blade of a gas turbine. On the platform in the example shown here is a conventional blade, but only half. According to 1a is located on the blade hull 2 a location 3 from CMC, the two openings 4 having. In these openings is a generative manufacturing process, a metallic support structure 5 built up.

In 1b erkennt man die aufgebaute metallische Trägerstruktur 5 die in beiden Öffnungen 4 bis zur obersten Lage 3 des Laminatlagenstapels 6 aufgebaut ist. Die metallische Trägerstruktur weist zumindest einen Kühlluftkanal 7 auf. Der Laminatlagenstapel umfasst die CMC-Lagen 3. In 1b one recognizes the constructed metallic carrier structure 5 in both openings 4 to the topmost location 3 of the laminate layer stack 6 is constructed. The metallic support structure has at least one cooling air channel 7 on. The laminate ply stack includes the CMC plies 3 ,

2a zeigt die gleiche Ansicht wie 1b, wobei der Aufbau einer metallischen Abschlusslage 8 durch den Pfeil 9 angedeutet ist. 2a shows the same view as 1b , wherein the construction of a metallic end layer 8th through the arrow 9 is indicated.

In 2b erkennt man die Lage der metallischen Abschlusslage 8 auf dem Laminatlagenstapel 6.In 2 B one recognizes the position of the metallic end position 8th on the laminate sheet pile 6 ,

Die metallische Abschlusslage 8 auf dem Laminatlagenstapel 6 ist bevorzugt mit der metallischen Trägerstruktur 5 verbunden, damit die Zentrifugalkraft, die auf die Schaufelblattspitze bei rotierenden Turbinenkomponenten während des Betriebs wirkt, von der Trägerstruktur 5 aufgenommen wird.The metallic final position 8th on the laminate sheet pile 6 is preferred with the metallic support structure 5 In order for the centrifugal force, which acts on the blade tip with rotating turbine components during operation, from the support structure 5 is recorded.

Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel bedeckt die Abschlusslage 8 den Laminatlagen-Stapel 6 komplett. Alternativ kann die metallische Abschlusslage 8 sich auch nur zum Teil über die Oberfläche des Laminatlagen-Stapels 6 erstrecken.In the embodiment shown here covers the final position 8th the laminate layer stack 6 completely. Alternatively, the metallic end layer 8th even partially over the surface of the laminate ply stack 6 extend.

Schließlich ist auch vom Umfang der Erfindung mit umfasst, dass sich die oberste metallische Abschlusslage zum Teil seitlich entlang dem Laminatlagen-Stapel 6 erstreckt.Finally, it is also included within the scope of the invention that the uppermost metallic end layer is partially laterally along the laminate ply stack 6 extends.

In den 3a und 3b sind Beispiele für den verzahnten Aufbau von CMC-Laminatlage 3 und metallischer Trägerstruktur 5 gezeigt.In the 3a and 3b are examples of the toothed structure of CMC laminate layer 3 and metallic support structure 5 shown.

In 3a erkennt man die CMC-Laminatlage 3 mit der Öffnung 4, in der die metallische Trägerstruktur 5 aufgebaut ist. Allerdings bildet die metallische Trägerstruktur nicht im Ganzen den Umfang der Öffnung 4 nach, sondern im Randbereich lässt die metallische Trägerstruktur Freiräume, die als Kühlstrukturen und/oder Kühlluftkanäle 7 nutzbar sind. Das Metall der metallischen Trägerstruktur überlappt in kleinen Bereichen 10 mit der CMC-Lage auf der gleichen Ebene, wie aus der PCT/US2015/023017 als „interlocking structure with clamping fingers“ bekannt ist.In 3a you can see the CMC laminate layer 3 with the opening 4 in which the metallic support structure 5 is constructed. However, the metallic support structure does not as a whole form the circumference of the opening 4 After, but in the edge region leaves the metallic support structure free spaces that as cooling structures and / or cooling air ducts 7 are usable. The metal of the metallic support structure overlaps in small areas 10 with the CMC location at the same level as out of the PCT / US2015 / 023017 as "interlocking structure with clamping fingers" is known.

Neben diesen aus der PCT/US2015/023017 bekannten überlappenden interlocking structure-Bereichen kann vorliegend auch vorgesehen sein, dass so genannte „gemischte Bereiche“ vorliegen, in denen die metallische Trägerstruktur, eventuell in Form einer Faser, beispielsweise auch einer Endlosfaser, sich in die Laminatlage aus keramische Faserverbundwerkstoff fortsetzt und mit dieser verwoben ist. In den so genannten gemischten Bereichen liegt keine Lagenstruktur aus CMC-Lage und metallischer Lage mit definierter Grenzfläche vor, sondern die beiden Materialien gehen ineinander über, so dass im Laminat Inseln, Fasern, Gewebe und/oder Verbunde identifizierbar sind, die aus dem Material der metallischen Trägerstruktur sind.Besides these from the PCT / US2015 / 023017 In the present case, known overlapping interlocking structure regions can also be provided in that so-called "mixed regions" are present in which the metallic carrier structure, possibly in the form of a fiber, for example also of an endless fiber, continues into the laminate layer of ceramic fiber composite material and interweaves with it is. In the so-called mixed areas there is no layer structure of CMC layer and metallic layer with defined interface, but the two materials merge into one another, so that in the laminate islands, fibers, fabrics and / or composites are identifiable, consisting of the material of metallic support structure are.

Bevorzugt sind diese Inseln, Fasern, Gewebe und/oder Verbunde mit der metallischen Trägerstruktur verbunden, können aber auch separat vorliegen.Preferably, these islands, fibers, fabrics and / or composites are connected to the metallic support structure, but may also be present separately.

3b zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel mit der Überlappung in kleinen Bereichen 10 der metallischen Trägerstruktur 5 und einer keramischen Lage 3 in zumindest einer Ebene des Laminatlagenstapels 6. Hier werden die Kühlkanäle jedoch nicht zwischen der Laminatlage 3 und der metallischen Trägerstruktur 5, wie in 3a gezeigt, gebildet, sondern vollständig innerhalb des metallischen Trägers durch Kühlstrukturen 7, die ganz von metallischem Material 5 umschlossen sind. 3b shows a similar embodiment with the overlap in small areas 10 the metallic support structure 5 and a ceramic layer 3 in at least one plane of the laminate ply stack 6 , Here, however, the cooling channels are not between the laminate layer 3 and the metallic support structure 5 , as in 3a shown formed, but completely within the metallic support by cooling structures 7 All made of metallic material 5 are enclosed.

Bevorzugt durchziehen die Kühlluftkanäle 7 den gesamten Stapel 6 und haben jeweils einen Kühllufteinlass und einen Kühlluftauslass, in den hier gezeigten Figuren aber nicht dargestellt.Preferably, the cooling air passages pass through 7 the entire pile 6 and each have a cooling air inlet and a cooling air outlet, but not shown in the figures shown here.

Durch das hier erstmals offenbarte Hybrid-Konzept für rotierende Turbinenkomponenten wird eine Technik offenbart, die ein Optimum aus der Kombination eines CMCs mit einer Superlegierung zur Herstellung einer Turbinenkomponente liefern kann. Es wird die Übertragung der wirkenden Kräfte auf die metallische Trägerstruktur bei gleichzeitiger Abschattung dieser durch einen Laminatlagenstapel aus keramischem Faserverbundmaterial vorgeschlagen. So wird die Möglichkeit der Nutzung der Hybridtechnik für rotierende Turbinenkomponenten geschaffen. Die Übertragung der Belastung durch Zentrifugalkräfte wird im Wesentlichen durch einen verzahnten Aufbau der metallischen Trägerstruktur mit dem Laminatlagenstapel und durch eine abschließende Metalllage geschaffen.The Hybrid Concept for Rotating Turbine Components, firstly disclosed herein, discloses a technique that can provide an optimum combination of a CMC with a superalloy to produce a turbine component. It is proposed the transmission of the forces acting on the metallic support structure while shading them by a laminate layer stack of ceramic fiber composite material. Thus, the possibility of using the hybrid technology for rotating turbine components is created. The transmission of the load by centrifugal forces is essentially created by a toothed structure of the metallic carrier structure with the laminate layer stack and by a final metal layer.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2015023017 PCT [0007, 0010, 0014, 0038, 0047, 0048]US 2015023017 PCT [0007, 0010, 0014, 0038, 0047, 0048]

Claims (15)

Turbinenkomponente, auf einer Plattform zumindest eine metallische Trägerstruktur, die von einem Laminatlagen-Stapel aus CMC-Laminaten umgeben ist, umfassend, wobei die metallische Trägerstruktur den Laminatlagen-Stapel überragt und den oberen Abschluss des Laminatlagen-Stapels bildet.Turbine component, on a platform at least one metallic support structure, which is surrounded by a laminate layer stack of CMC laminates comprising, wherein the metallic support structure projects beyond the laminate layer stack and forms the upper end of the laminate layer stack. Turbinenkomponente nach Anspruch 1, erhältlich durch - Stapeln einer Vielzahl von Laminatlagen aus keramischem Faserverbundmaterial CMC auf einer Plattform und darauffolgend aufeinander zur Ausbildung eines Laminatlagen-Stapels, wobei der Laminatlagen-Stapel zumindest eine innenliegende Öffnung definiert, - Aufbau einer metallischen Trägerstruktur innerhalb der durch die Laminatlagen gebildeten Öffnung durch Schmelzen und Wiedererstarren aufeinanderfolgender Schichten metallischen Precursormaterials vor, während oder nach dem Stapeln der Laminatlagen und - Aufbau einer metallischen Lage als äußerste oder oberste Abschluss-Lage des CMC-Laminatlagen-Stapels durch Schmelzen und Wiedererstarren metallischen Precursormaterials.Turbine component after Claim 1 obtainable by - stacking a plurality of laminate layers of ceramic fiber composite material CMC on a platform and subsequently on each other to form a laminate ply stack, the laminate ply stack defining at least one internal opening, - forming a metallic support structure within the opening formed by the laminate layers Melting and re-solidifying successive layers of metallic precursor material before, during or after stacking the laminate layers; and - forming a metallic layer as the outermost or topmost layer of the CMC laminate layer stack by melting and re-solidifying metallic precursor material. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Kühlluftkanal innerhalb der metallischen Trägerstruktur vorgesehen ist.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein at least one cooling air channel is provided within the metallic support structure. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Kühlluftkanal innerhalb des Laminatlagenstapels vorgesehen ist.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein at least one cooling air channel is provided within the laminate layer stack. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Kühlluftkanal innerhalb der von dem Laminatlagen-Stapel gebildeten Öffnung vorgesehen ist.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein at least one cooling air channel is provided within the opening formed by the laminate layer stack. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Laminatlage vorgesehen ist, die mit der metallischen Trägerstruktur über überlappende und/oder gemischte Bereiche verbunden ist.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein at least one laminate layer is provided which is connected to the metallic support structure via overlapping and / or mixed regions. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Kühlluftkanal entlang der Grenzfläche zwischen metallischer Trägerstruktur und keramischer Laminatlage verläuft.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein at least one cooling air passage extends along the boundary surface between the metallic support structure and the ceramic laminate layer. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die metallische Abschlusslage die oberste keramische Laminatlage zum Teil bedeckt.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein the metallic end layer partially covers the uppermost ceramic laminate layer. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die oberste metallische Abschlusslage sich auch zumindest zum Teil seitlich entlang dem Laminatlagenstapel erstreckt.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein the uppermost metallic end layer also extends at least partially laterally along the laminate layer stack. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der obersten metallischen Abschlusslage eine Einlass- und/oder eine Auslassöffnung für Kühlluft vorgesehen ist.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein in the uppermost metallic end layer, an inlet and / or an outlet opening for cooling air is provided. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der keramische Faserverbundwerkstoff als Oxidbasierter und/oder als Carbid-basierter keramischer Faserverbundwerkstoff vorliegt.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein the ceramic fiber composite material is present as an oxide-based and / or as a carbide-based ceramic fiber composite material. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Faserverstärkung im keramischen Faserverbundwerkstoff in Form von Fasern, Endlosfasern, Faserbündel, Fasergeweben und/oder dreidimensionalen Faserverbunden vorliegt.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein the fiber reinforcement in the ceramic fiber composite material in the form of fibers, continuous fibers, fiber bundles, fiber fabrics and / or three-dimensional fiber composites is present. Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die metallische Trägerstruktur aus einer Nickel- und/oder Cobalt-basierten Superlegierung ist.Turbine component according to one of the preceding claims, wherein the metallic support structure of a nickel and / or cobalt-based superalloy. Verfahren zur Herstellung einer Turbinen-Komponente, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Stapeln einer Anzahl von Laminatlagen aus keramischem Faserverbundmaterial CMC auf einer Plattform und aufeinander zur Ausbildung eines Laminatlagen-Stapels, wobei jede der Laminatlagen zumindest eine Öffnung definiert und die Laminatlagen zum Stapel so aufeinander gelegt werden, dass eine Öffnung, deren Umfang ungefähr die metallische Trägerstruktur umgibt, gebildet wird, - Aufbau einer metallischen Trägerstruktur zumindest innerhalb der zumindest einen durch den Laminatlagen-Stapel definierten Öffnung durch Schmelzen und Wiedererstarren aufeinanderfolgender Schichten metallischen Precursormaterials vor, während oder nach dem Stapeln der Laminatlagen und - Aufbau einer metallischen Schicht als äußerste oder oberste Abschluss-Lage des CMC-Laminatlagen-Stapels durch Schmelzen und Wiedererstarren metallischen Precursormaterials im Verbund mit der metallischen Trägerstruktur.Method for producing a turbine component, comprising the following method steps: Stacking a number of laminate layers of ceramic fiber composite material CMC on a platform and on each other to form a laminate ply stack, wherein each of the laminate ply defines at least one opening and the laminate layers are stacked against each other such that an opening whose perimeter is approximately the metallic support structure surrounds, is formed, - Construction of a metallic support structure at least within the at least one opening defined by the laminate layer stack by melting and re-solidifying successive layers of metallic precursor material before, during or after stacking the laminate layers and - Construction of a metallic layer as the outermost or topmost layer of the CMC laminate layer stack by melting and re-solidification of metallic precursor material in conjunction with the metallic support structure. Verfahren nach Anspruch 14, wobei auf der Plattform in einem - ersten Verfahrensschritt eine unterste Laminatlage abgelegt wird, die zumindest eine Öffnung hat, in einem - zweiten Verfahrensschritt über ein additives Fertigungsverfahren die metallische Trägerstruktur teilweise oder ganz die Öffnung füllend und gegebenenfalls noch die angrenzende Laminatlage in Teilbereichen bedeckend aufgebaut wird - diese beiden ersten Verfahrensschritte zumindest zweimal ausgeführt werden und in einem - abschließenden Verfahrensschritt über ein additives Fertigungsverfahren die metallische Trägerstruktur nach Fertigstellung des Laminatlagenstapels fertiggestellt wird.Method according to Claim 14 , wherein on the platform in a - first process step, a lowermost laminate layer is deposited, which has at least one opening, in a - second process step via an additive manufacturing process, the metallic support structure partially or completely filling the opening and possibly still the adjacent laminate layer in subregions covered covering becomes - these two first method steps are carried out at least twice and in a - final process step via an additive manufacturing process, the metallic support structure is completed after completion of the laminate layer stack.
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