DE102018213421A1

DE102018213421A1 - CMC-Turbinenkomponente im StackWrap-Aufbau mit Kühlsystem

Info

Publication number: DE102018213421A1
Application number: DE102018213421.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lampenscherf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine CMC-Turbinenkomponente, bei der folgender StackWrap-Aufbau realisiert ist: ein innerer im Stack-Aufbaukonzept realisierter CMC-Laminatlagenstapel ummantelt von zumindest einer äußeren im Wrap-Aufbaukonzept angeordneten CMC-Laminatlage. Das vorgeschlagene Kühlkonzept erlaubt durch die Kühlluftführung zwischen dem Stack-Teil der CMC-StackWrap-Turbinenkomponente und dem Wrap-Teil der CMC-StackWrap-Turbinenkomponente die effiziente Kühlung der CMC-Leitschaufel und insbesondere der Austrittskante einer CMC-Leitschaufel.

Description

Die Erfindung betrifft eine CMC-Turbinenkomponente, bei der folgender StackWrap-Aufbau realisiert ist: ein innerer im Stack-Aufbaukonzept realisierter CMC-Laminatlagenstapel ummantelt von zumindest einer äußeren im Wrap-Aufbaukonzept angeordneten CMC-Laminatlage.
Bislang werden beispielsweise Formkörper wie Turbinenschaufeln, beispielsweise für stationäre Gasturbinen, aus Nickelbasierten Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz-Beschichtungen, z.B. TBC-Beschichtungen, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiterentwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und nach allgemeiner Abschätzung der Fachwelt ist nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.
Demgegenüber ist die Technik des Bauteil-Aufbaus mit CMCs, also der Faser-verstärkten keramischen Materialien eine Alternative, die allein und/oder in Kombination mit Teilelementen aus Metallen und insbesondere aus Superlegierungen, als so genannte CMC-Metall-Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neuartiger Formkörper wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang noch gewinnbringend, also zu substantiellen Steigerungen führend, eingesetzt werden kann. In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente umfasst. Diese keramischen Verbundwerkstoffe CMC bieten eine alternative Materiallösung mit verbesserter Temperaturfähigkeit und geringerer Dichte. Insbesondere die oxidischen CMC, Oxid-CMC, bieten sich für den Einsatz im Heißgaspfad stationärer Gasturbinen an, da sie zusätzlich eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen und damit den anspruchsvollen Betriebsbedingungen, beispielsweise hinsichtlich Brennstoffflexibilität, und langen Serviceintervallen moderner Industriegasturbinen gerecht werden.
Leitschaufeln stellen dabei besonders attraktive Kandidaten für den Einsatz von CMC dar, da sich bei ihnen erhebliche Kühllufteinsparungen und Effizienzsteigerungen erreichen lassen. Allerdings unterliegen die Leitschaufeln hohen thermischen und mechanischen Belastungen, so dass ein sehr robustes Aufbaukonzept benötigt wird.
In der Regel umfasst ein CMC-Teilelement eine Faser, einen Faserverbund, ein Gewebe und/oder einen dreidimensionalen Verbund aus Verstärkungsfasern, insbesondere aus keramischen Verstärkungsfasern, der in eine keramische Matrix eingebettet ist. Zur Herstellung werden meistens Prepreg-Lagen durch anhaftenden Schlicker aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper gesintert. Die Anordnung der CMC-Lagen zueinander ist dabei eine kritischer Punkt und es wird ständig an einer optimalen Anordnung der CMC-Lagen zueinander, also an Aufbaukonzepten für die Komponenten, sei es für Turbinen und/oder für Elemente eines Abgasstrangs, geforscht.
Eine bekannte Turbinenkomponente umfasst beispielsweise ein Laminat aus CMC-Lagen, die auf CMCs aus Oxid- und/oder Siliziumcarbid-Keramik basieren. Die Laminate werden dabei als Prepreg-Lagen zum einen im so genannten Stack-Aufbaukonzept auf einem Metallkern und/oder auf einer Stützstruktur abgelegt oder gestapelt. Alternativ dazu werden im so genannten Wrap-Aufbaukonzept die Prepreg-Lagen um einen Kern oder eine Stützstruktur herum gewickelt. In beiden Fällen werden nach erfolgter Trocknung und/oder Temperung der Prepreg-Lagen diese mit oder ohne Stützstruktur gesintert.
Insbesondere bei der Herstellung von CMC-basierten Leitschaufeln für stationäre Gasturbinen wird bislang entweder das Wrap-, also das Wickel-Aufbaukonzept, oder das Stack-, also das Stapel-Aufbaukonzept, realisiert.
Bisher gibt es keine CMC-basierten Leitschaufeln, deren langfristige Einsetzbarkeit in Gasturbinen nachgewiesen wurde. Die Entwicklung konzentriert sich auf das so genannte WRAP-Konzept.
Es ist eine derartige StackWrap-CMC-Komponente aus der Anmeldung 2017E26191DE bekannt. Diese StackWrap-CMC-Turbinenkomponenten weisen insbesondere zumindest eine Stelle mit einem sehr geringen Krümmungsradius auf. Beispielsweise handelt es sich dabei um die Austrittskante eine CMC-Leit- oder CMC-Laufschaufel einer Turbine. Für solche Komponenten hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Stapel aus CMC-Laminatlagen, die in der gewünschten Form ausgeschnitten sind, so genannte CMC-Spanten-Stapel, außen von einer oder mehreren CMC-Lagen im Wrap-Aufbau ummantelt werden.
Das Aufbaukonzept StackWrap besitzt im Vergleich zum bisher verfolgten Wrap-Aufbaukonzept eine deutlich robustere Austrittskante und vermeidet daher viele der bisher beobachteten Stabilitätsprobleme. Allerdings existiert bisher noch kein Kühlkonzept für den StackWrap, um auch aktiv gekühlte Komponenten realisieren zu können.
Grundsätzlich gibt es eine Reihe von Kühlkonzepten für CMC-Gasturbinen-Komponenten. Dazu zählen die Strahlungskühlung und die Prallkühlung für laminierte CMC-Komponenten im Wrap-Aufbaukonzept. Bei der Strahlungskühlung wird die Rückseite der CMC-Wand durch die Anwesenheit aktiv gekühlter metallischer Stützstrukturen über Wärmestrahlung gekühlt. Dieses Konzept erlaubt nur eine sehr begrenzte Kühlung und wird daher nicht als aktive Kühlung betrachtet. Bei der Prallkühlung wird die Rückseite der laminierten CMC-Wand mit Kühlluft angeströmt und verursacht damit einen relativ hohen Wärmeübergang von CMC-Wand zur Kühlluft, also konvektive Kühlung. Allerdings kann durch die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit des Ox-Ox-CMC-Materials auch bei hohem Wärmeübergang zur Kühlluft nur ein begrenzter Wärmestrom durch die CMC-Wand und damit keine ausreichende Absenkung der CMC-Temperatur auf den dauerstabilen Bereich erreicht werden. Gleichzeitig verursacht die geringe Wärmeleitfähigkeit hohe thermische Gradienten und damit auch Spannungen in der CMC-Wand, welche zu deren Zerstörung führen können.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kühlsystem für eine CMC-Turbinenkomponente im StackWrap-Aufbau zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart wird, gelöst.
Dementsprechend ist Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine CMC-Turbinenkomponente im StackWrap-Aufbau mit innenliegendem CMC-Spanten-Stapel und außen liegendem CMC-Laminatlage im Wrap-Aufbau, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch die das Kühlmedium entlang der Kontaktfläche zwischen dem inneren CMC-Spanten-Stapel und dem äußeren CMC-Wrap-Element fließen kann.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass gemäß dem StackWrap-Aufbaukonzept vorgesehen ist, nur eine dünne äußere Schicht von CMC-Laminatlagen im Wrap-Aufbau um den inneren CMC-Laminatlagen-Stapel vorzusehen, so dass eine zwischen diesen beiden CMC-Elementen fließende Kühlung eine sehr effiziente Kühlung ist, weil sie unter die so genannten „near wall cooling“ Systeme fällt, da sie direkt unter der heißen Oberfläche der Wrap-CMC-Wand geführt wird.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Kühlluft in nach außen offenen Kerben des CMC-Spanten-Stapels geführt, wobei die offene Seite der Kerben im CMC-Spanten-Stapel durch die Ummantelung mit der zumindest einen CMC-Wrap-Laminatlage geschlossen wird.
Als CMC-Laminatlage wird vorliegend ein so genanntes „Ply“ bezeichnet, das durch Vorlage und/oder Eintauchen oder ähnliche Benetzungs- und/oder Imprägnierung einer Verstärkungsfaser-Vorlage in einen keramischen Schlicker und nachfolgendes Trocknen und Sintern herstellbar ist.
Als CMC-Laminatlagen-Stapel wird vorliegend ein Stapel solcher CMC-Laminatlagen bezeichnet, der beispielsweise durch Schlicker aneinander laminiert ist.
Als CMC-Laminatlagen-Spanten-Stapel wird vorliegend ein Stapel von ausgeschnittenen CMC-Laminatlagen bezeichnet, der eine bestimmte Form, beispielsweise eine Leitschaufel mit kleinem Krümmungsradius an der Austrittskante hat.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein derartiger CMC-Laminatlagen-Spanten-Stapel oder auch abgekürzt „CMC-Spanten-Stapel“ genannt, nach Fertigstellung auf dessen Außenseite Kerben oder Nuten oder offene Kühlluftkanäle auf.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind diese beispielsweise durch Fräsen herstellbar. Danach werden die Kühlluftkanäle durch Umwickeln des CMC-Spanten-Stapels mit zumindest einer CMC-Laminatlage im Wrap-Aufbaukonzept, geschlossen.
Dadurch kann die Kühlluft sehr nah an der heißen Oberfläche der CMC-Wrap-Wand geführt werden und eine sehr effiziente Kühlung eine so genannte near wall cooling darstellen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird, um die Kühlluftführung möglichst definiert zu gestalten und eine Leckage zu vermeiden, ein Mittel zur Führung der Kühlluft in die offenen Kerben der Außenseite des CMC-Spanten-Stapels eingebracht. Beispielsweise kann es sich dabei um Röhrchen, insbesondere um metallische oder keramische Röhrchen, handeln.
Um eine Leckage zu vermeiden wird der äußere CMC-Wrap, der die CMC-Wrap-Wand, beispielsweise der CMC-Leitschaufel, bildet, sorgfältig mit dem inneren CMC-Spanten-Stack verbunden. Dazu kann beispielsweise der Schlicker, der auch die CMC-Matrix bildet, ein Keramikkleber, ein Schlicker der mit Glaskeramik versetzt ist, oder eine beliebige Kombination der vorgenannten Mittel eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren, die eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, näher erläutert:

1 zeigt den CMC-Spanten-Stapel einer CMC-Leitschaufel und
2 zeigt eine CMC-Leitschaufel im StackWrap-Aufbau.

In 1 ist der CMC-Laminatlagen-Spanten-Stapel 1 in der Form einer Leitschaufel mit Rippe 6 zu sehen. Man erkennt die einzelnen Laminatlagen 2a, 2b, 2c... die den CMC-Spanten-Stapel 1 im Stack-Aufbau bilden. An der Außenseite 5 des CMC-Spanten-Stapels 1 sind Kerben 3a, 3b, 3c... zu erkennen, die die Kühlluftkanäle bilden. Beispielhaft ist in einer Kerbe 3c ein integriertes Röhrchen 4 zur Kühlluftführung dargestellt, das zur besseren Kühlluftverteilung vorgesehen ist. Das integrierte Röhrchen 4 kann aus Metall oder aus Keramik sein. Die Röhrchen 4 können teilweise oder komplett in den Kühlluftkanälen vorgesehen sein. Die Kerben 3a, 3b, 3c... sind hier alle mit gleicher Form und Größe dargestellt, es können aber auch verschiedene Formen und/oder Größen an Kerben 3a, 3b, 3c... respektive Kühlluftkanälen vorgesehen sein. Außerdem kann die Anzahl und Verteilung der Kerben respektive Kühlluftkanäle entlang der Außenwand 5 des CMC-Spanten-Stapels beliebig variieren.
2 zeigt die fertige CMC-Leitschaufel mit Rippe 6, wobei der CMC-Spanten-Stapel 1 von einer CMC-Laminatlage 7 im Wrap-Aufbaukonzept ummantelt ist. Von den Kühlluftkanälen 3a, 3b, 3c... sind in der Ansicht der 2 nur noch die Öffnungen zu erkennen, weil der Rest von der CMC-Wrap-Laminatlage 7 verdeckt ist. Die CMC-Wrap-Laminatlage 7 ist bevorzugt außen mit einem Schlicker, der nach erfolgter Sinterung die Matrix bildet, versehen, der zumindest Anteile an Glaskeramik hat. Bevorzugt ist die Außenseite der CMC-Leitschaufel aus Glaskeramik-haltigem Matrixmaterial.
Die Kerben 3a, 3b, 3c... werden nach Herstellung des inneren CMC-Spanten-Stapels 1 im Stack-Aufbau auf dessen Außenseite 5 z.B. durch Fräsen erzeugt und anschließen durch Umwickeln mit dem äußeren CMC-Wrap 7 nach außen geschlossen. Dadurch kann die Kühlluft sehr nah an der heißen Oberfläche der CMC-Wand, die vom CMC-Wrap gebildet wird, geführt werden. Das nennt man auch „near wall cooling“. Der äußere Wrap 7 wird sorgfältig mit dem inneren CMC-Spanten-Stapel 1 z.B. durch Keramikkleber verbunden. Kühlluft kann zusätzlich in entsprechend vorgefertigten Metall- oder Keramikröhrchen 4 geführt werden. Die Röhrchen 4 sind in alle oder einige Kerben 3a, 3b, 3c... eingepasst. Die Röhrchen 4 können in der CMC-Wand verklebt oder auch nur durch Haftung fixiert sein.
Durch das hier erstmals beschriebene Kühlkonzept für den CMC-StackWrap-Aufbau einer Turbinenkomponente, beispielsweise einer CMC-Leitschaufel ergeben sich mehrere Vorteile:

Kühlluft kann sehr nah an der heißen Oberfläche der CMC-Wrap-Wand geführt werden, so genanntes near wall cooling.

Der Einsatz von keramischen und/oder metallischen Röhrchen für die definierte Führung der Kühlluft in den im Stack vergrabenen Kanälen vermeidet Kühlluftleckage.
Das vorgeschlagene Kühlkonzept erlaubt durch die Kühlluftführung zwischen dem Stack-Teil der CMC-StackWrap-Turbinenkomponente und dem Wrap-Teil der CMC-StackWrap-Turbinenkomponente die effiziente Kühlung der CMC-Leitschaufel und insbesondere der Austrittskante einer CMC-Leitschaufel.

Claims

CMC-Turbinenkomponente im StackWrap-Aufbau mit innenliegendem CMC-Spanten-Stapel und außen liegendem CMC-Laminatlage im Wrap-Aufbau, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch die das Kühlmedium entlang der Kontaktfläche zwischen der Außenseite des inneren CMC-Spanten-Stapels und der Innenseite des äußeren CMC-Wrap-Element fließen kann.
CMC-Turbinenkomponente nach Anspruch 1, wobei die CMC-Laminatlagen des CMC-Spanten-Stapels ausgeschnitten sind.
CMC-Turbinenkomponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zur Führung des Kühlmediums Kerben an der Außenseite des inneren CMC-Spanten-Stapels sind, die von dem äußeren CMC-Wrap-Element bedeckt sind.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kühlmedium Kühlluft ist.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das CMC-Wrap-Element zumindest eine CMC-Laminatlage im Wrap-Aufbaukonzept umfasst.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der Röhrchen in zumindest einem Teil der Kerben, in denen die Kühlluft geführt wird, vorgesehen sind.
CMC-Turbinenkomponente nach Anspruch 6, wobei die Röhrchen aus Metall und/oder aus Keramik sind.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Röhrchen zumindest zum Teil durch Keramikkleber in der oder den Kerben fixiert sind.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Röhrchen zumindest zum Teil durch Haftung in der oder in den Kerben fixiert sind.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der innere CMC-Spanten-Stapel mit der zumindest einen äußeren CMC-Wrap-Laminatlage durch einen Keramikkleber verbunden ist.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine CMC-Leitschaufel ist.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine CMC-Laufschaufel ist.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, die aus oxidisch basiertem CMC-Material ist.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, die an der Kontaktfläche zwischen dem inneren CMC-spanten-Stapel-Element und dem äußeren CMC-Wrap-Element eine Matrix mit zumindest Anteilen aus Glaskeramik hat.
CMC-Turbinenkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, die an der Außenseite eine Matrix mit zumindest Anteilen an Glaskeramik hat.