DE19926817A1 - Turbinenbauteil - Google Patents

Abstract

Turbinenbauteile, insbesondre Turbinenschaufeln (1), werden gegen die von den Verbrennungsgasen der Gasturbinen hervorgerufenen hohen Temperaturen bis jetzt mittels Wärmedämmschichten (3) und/oder mit Hilfe von Kühlungseinrichtungen geschützt. Beide Verfahren bieten jedoch vor allem keinen optimalen Schutz für das Material von Turbinenschaufeln. Um diesen Schutz zu verbessern, sind in die erfindungsgemäße Turbinenschaufel (1) Bauelemente (2) integriert, welche die Wärme sehr gut leiten. Die Bauelemente (2) sind so angeordnet, daß sie die Turbinenschaufel (1) in Richtung des größten Temperaturgradienten teilweise oder vollständig durchsetzen. Auf diese Weise wird die Wärme von der Begrenzungsfläche (1B) bzw. der Oberfläche (1E) einer jeden Turbinenschaufel (1) in deren Innenbereich geleitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenbauteil, insbesondere auf eine Turbinen­ schaufel für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Turbinenschaufeln werden zum Antrieb von Gasturbinen direkt mit heißen Verbren­ nungsgasen beaufschlagt. Sie sind dabei sowohl thermischen als auch mechanischen Beanspruchungen während des Betrieb der Gasturbine sowie Belastungszyklen ausgesetzt. Turbinenschaufeln werden bevorzugt aus einer Ni-Superlegierung gefertigt. Die Kühlung einer solchen Turbinenschaufel wird durch die Wärmeleitfähig­ keit des Schaufelmaterials und die Wärmeübergänge zur Kühlluft und zum Heißgas begrenzt. Die Turbinenschaufeln werden deshalb gegen die von den Verbrennungs­ gasen verursachten hohen Temperaturen mittels Wärmedämmschichten und/oder mit Hilfe von Kühlungseinrichtungen geschützt.

Die bis jetzt bekannten Wärmedämmschichten bestehen aus einem Verbund. Dieser umfaßt eine haftvermittelnde Metallschicht, welche direkt auf die Begrenzungsflächen der Turbinenschaufeln aufgebracht ist. Auf diese Metallschicht ist eine äußere Schicht aus keramischen Material aufgetragen. Die metallische Schicht wird allgemein als Bondcoat bezeichnet, während die keramische Schicht thermal barrier coating heißt. Die verschiedenen Wärmedämmschichten, die bis jetzt bei Turbinenschaufeln eine Anwendung finden, unterscheiden sich im wesentlichen nur in der Zusammensetzung der haftvermittelnden Schicht und den Verfahren, mit denen die beiden Schichten auf­ getragen werden. Die keramische Schicht wird häufig aus einem Zirkonoxid gefertigt, das mittels Yttriumoxid teilstabilisiert ist. Dieser Werkstoff weist eine ausgesprochen niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Die keramische Schicht hat im Bereich des Schaufel­ blatts eine Dicke bis 500 µm, während sie im Bereich der Plattform 1 mm beträgt.

Von Nachteil ist es bei diesen Wärmedämmungen, daß sich bei hohen Temperaturen auf der haftvermittelnden Schicht eine Oxidschicht ausbildet, da die Bestandteile der Wärmedämmschicht herstellungs- und materialbedingt nicht dicht hinsichtlich der Dif­ fusion von Sauerstoff sind. Diese natürlich wachsende Oxidschicht trennt in zuneh­ menden Maße die Oberfläche der haftvermittelnden Schicht von der keramischen Schicht. Mit zunehmender Dicke dieser Oxidschicht verliert die keramische Schicht an Haftfestigkeit und beginnt abzuplatzen. Das Dickenwachstum der Oxidschicht nimmt mit steigender Temperatur des Metalls der Turbinenschaufel exponentiell zu, während die Lebensdauer der keramischen Schicht in gleicher Weise abnimmt. Je dicker die keramische Schicht ist, um so anfälliger ist sie gegenüber einem Materialverlust, was durch die thermomechanische Belastung der Wärmedämmschicht während des Be­ triebs der Gasturbine verursacht wird. Damit ist die Verwendung solcher Wärme­ dämmschichten bei Turbinenschaufeln begrenzt.

In gleichem Maße wie die Wärmedämmschichten kommen auch Kühlverfahren in Form von Prallkühlung im Innern der Turbinenschaufel, Filmkühlung durch Austritt von Kühlluft auf der Oberfläche des Schaufelblatts, Strukturierungen der Innenseite der Turbinenschaufel sowie Kühlkanäle nahe der Turbinenoberfläche zur Anwendung, um die Turbinenschaufeln vor zu hohen Temperaturen zu schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbinenbauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel so auszubilden, daß sie eine optimale Kühlung erfährt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß läßt sich die Temperatur an der Oberfläche einer Turbinenschaufel dadurch senken, daß in die Turbinenschaufel wenigstens ein vorzugsweise mehrere Bauelemente integriert sind, die in der Lage sind, kontinuierlich Wärme aus dem hei­ ßeren Bereich in und an der Oberfläche der Turbinenschaufel in den kühleren Bereich im Inneren der Turbinenschaufel zu transportieren. Die erfindungsgemäßen Bauele­ mente sind vorzugsweise als massive Stifte ausgebildet und aus einem Werkstoff ge­ fertigt, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Werkstoff, aus dem die Turbinenschaufeln gefertigt sind. Die Bauelemente werden erfindungsgemäß aus ei­ ner Ni-Al-Basislegierung hergestellt. Solche Legierungen besitzen über einen weiten Temperaturbereich eine drei- bis achtfach höhere Wärmeleitfähigkeit als Nickel-Su­ perlegierungen. Die Stifte können dabei zylinderförmig ausgebildet sein, wobei ihr Querschnitt rund oder elliptisch sein kann. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, die Bauelemente selbst als Ellipsoide auszubilden. Die Enden der Stifte sind so ge­ formt, daß sie einen optimalen Wärmetransport ermöglichen. Das erste Ende eines jeden Bauelements ist in einem Hohlraum im Innenbereich der Turbinenschaufel angeordnet. Eine eben so gute Ableitung der Wärme aus dem Bereich der Oberfläche wird erreicht, wenn die ersten Enden der Bauelemente in einem der Stege eingebettet sind, die im Innenbereich einer jeden Turbinenschaufel zur Stabilisierung senkrecht zu den konkaven und konvexen Begrenzungsflächen der Turbinenschaufel ausgebildet sind.

Die Länge der Bauelemente richtet sich danach, ob die Turbinenschaufel mit oder ohne Wärmedämmung hergestellt wird. In jeden Fall wird die Länge der Bauelemente so gewählt, daß ihre zweiten Enden nicht aus der fertigen Turbinenschaufel nach außen überstehen. Ist die Turbinenschaufel mit einer Wärmedämmung versehen, so wird die Länge der Bauelemente so gewählt, daß ihre zweiten Enden innerhalb oder unmittelbar vor der Oberfläche der Wärmedämmung enden. Die Bauelemente dienen in diesem Fall nicht nur dem Transport der Wärme, sondern auch als Anker für die auf den Begrenzungsflächen der Turbinenschaufeln aufgetragenen wärmedämmenden Schichten, die auch hierbei durch eine haftvermittelnden Schicht und eine darauf auf­ getragene keramische Schicht gebildet werden. Weist die Turbinenschaufel keine Wärmedämmung auf, so werden die Längen der Bauelemente so gewählt, daß ihre zweiten Enden unmittelbar vor oder in einem geringen Abstand vor der äußeren Begrenzungsfläche der Turbinenschaufel enden.

Bei der Fertigung der Turbinenschaufeln können die Bauelemente als Abstandhalter für die Gießform genutzt werden, da sie einen deutlich höheren Schmelzpunkt als herkömmliche Schaufellegierungen haben. Ni-Al-Legierungen haben zudem einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als übliche Nickel-Superlegierungen. Die Bauelemente können deshalb beim Gießprozeß der Turbinenschaufel in die Schaufellegierung eingeschrumpft werden.

Eine intermetallische Aluminiumlegierung oder ein keramisches, oxidisches oder nichtoxidisches Material sind ebenfalls für die Herstellung der Bauelemente geeignet. Die Bauelemente können auch als Hohlkörper ausgebildet und mit einer gut wärme­ leitenden und temperaturbeständigen Flüssigkeit gefüllt werden, welche für die hohen Temperaturen in Gasturbinen geeignet ist. Erfindungsgemäß lassen sich auch Bauele­ mente verwenden, die als Wärmerohre ausgebildet sind. Die Verdampfungszonen dieser Wärmerohre werden so angeordnet, daß sie nicht aus der Turbinenschaufel herausragen, während die zugehörigen Kondensationszonen im Bereich der Hohlräume oder Stege der Turbinenschaufel positioniert sind. Die erfindungsgemäßen Bauelemente können nicht nur in Turbinenschaufeln, sondern auch bei Bedarf in an­ dere Bauteile einer Gasturbine integriert werden, wenn dort ebenfalls Wärme von einem heißen Bereich in einen kühleren Bereich geleitet werden soll.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel im Schnitt senkrecht zu deren Längs­ achse,

Fig. 2 Ausführungsformen der Bauelemente,

Fig. 3 eine Variante der Turbinenschaufel.

Die in Fig. 1 dargestellte Turbinenschaufel 1 ist mit Bauelementen 2 und einer Wär­ medämmung 3 versehen. Die Turbinenschaufel 1 ist bei dem hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel aus einer Ni-Superlegierung gefertigt. Auf ihren Begrenzungsflächen 1B ist die Wärmedämmung 3 angeordnet. Diese wird durch den Verbund von zwei Schichten 4 und 5 gebildet. Für die Ausbildung der Wärmedämmung 3 wird un­ mittelbar auf die Begrenzungsflächen 1B ein haftvermittelnde Schicht 4 aus Metall aufgetragen. Auf diese haftvermittelnde Schicht 4 ist eine Schicht aus Keramik 5 auf­ gebracht. Wie Fig. 1 desweiteren zu entnehmen ist, werden die Begrenzungsflächen 1B der Turbinenschaufel von Bauelementen 2 so durchsetzt, daß die Bauelemente 2 in Richtung des größten Temperaturgradienten ausgerichtet sind. Die Bauelemente 2 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als massive Stifte ausgebildet, und aus einem die Wärme sehr gut leitenden Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise werden die Bauelemente 2 aus einer ein- oder mehrphasigen Legierung auf der Basis von NiAl oder einer intermetallischen Aluminiumlegierung hergestellt. Die Bauele­ mente können auch aus einem keramischen, oxidischen oder nichtoxidischen Material gefertigt werden. Es besteht die Möglichkeit, die Bauelemente 2 auch als Hohlkörper (hier nicht dargestellt) auszubilden, und mit einer gut wärmeleitenden und temperaturbeständigen Flüssigkeit zu füllen, welche für die hohen Temperaturen in Gasturbinen geeignet ist. Mit Hilfe dieser Flüssigkeit kann dann ein noch besserer Transport der Wärme von den Oberflächen 1E in den Innenbereich einer jeden Turbi­ nenschaufel 1 erreicht werden. Ferner können für den Wärmetransport auch Bauele­ mente 2 verwendet werden, die als Wärmerohre (hier nicht dargestellt) ausgebildet sind. Die zugehörigen Kondensationszonen dieser Wärmerohre werden im Bereich der Hohlräume 1H oder Stege 1S positioniert, während die Verdampfungszonen innerhalb der heißen Bereiche der Turbinenschaufel 1 positioniert sind. Die Wärmerohre enthalten in Innenbereich eine für den Transport der Wärme geeignete Flüssigkeit. Zudem sind sie für den Rücktransport des Kondensats im Innenbereich mit einer Kapillarstruktur versehen.

Wie Fig. 2 zeigt, können die Bauelemente 2 einen runden oder elliptischen Quer­ schnitt aufweisen. Ebenso ist des möglich, die Bauelemente 2 als Ellipsoide auszu­ bilden, die an ihren Enden gegebenenfalls abgeflacht sind. Wie an Hand von Fig. 1 zu sehen ist, ragt das erste Ende 2A eines jeden Bauelements 2 in einen Hohlraum 1H im Inneren der Turbinenschaufel 1 oder es ist in einen der Stege 1S integriert, die innerhalb der Turbinenschaufel 1 senkrecht zwischen den Begrenzungsflächen 1B zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Turbinenschaufel 1 vorgesehen sind. Bei der Turbinenschaufel 1 gemäß Fig. 1, ist Länge eines jeden Bauelements 2 so bemessen, daß sein zweites Enden 2B bis unmittelbar unterhalb der Oberfläche 1E der Wärmedämmung 3 geführt ist oder schon kurz davor endet. Etwas kürzer sind die Längen der Bauelemente 2 bei der in Fig. 3 dargestellten Turbinenschaufel 1 bemessen. Diese ist im wesentlichen baugleich mit der Turbinenschaufel gemäß Fig. 1. Gleiche Bauteile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die zweiten Enden 2B der Bauelemente 2 sind in diesem Fall nur bis unmittelbar unter die Begrenzungsflächen 1B geführt oder enden schon kurz davor. Bei beiden Ausführungsformen muß sichergestellt sein, daß die Bauelemente 2 nicht aus den Turbinenschaufeln 1 nach außen überstehen.

Die Anzahl der Bauelemente 2 pro cm² ist bei beiden Turbinenschaufeln 1 gemäß der Fig. 1 und 3 von der Höhe der Temperatur abhängig, die an einer definierten Stelle in oder an der Oberfläche 1E bzw. der Begrenzungsfläche 1B der Turbinenschaufel 1 herrscht. An Stellen mit höherer Temperatur wird die Anzahl der Bauelemente 2 größer gewählt als in anderen Bereichen. Bei der Herstellung der Turbinenschaufel 1 können die Bauelemente 2 als Abstandhalter für die Gießform (hier nicht dargestellt) der Turbinenschaufel 1 genutzt werden, da sie einen deutlich höheren Schmelzpunkt als die Ni-Superlegierung haben, aus der die Turbinenschaufel gefertigt wird. Die Bau­ elemente 2 können auf diese Weise schon beim Gießprozeß der Turbinenschaufel 1 in die Schaufellegierung eingeschrumpft werden. Sie können dann zumindest für die haftvermittelnde Schicht 4 der Wärmedämmung 3 als Anker dienen, wenn diese nach dem Gießen auf die Begrenzungsflächen 1B der Turbinenschaufel 1 aufgebracht wird. Selbstverständlich können die Bauelemente 2 auch nach dem Gießen der Turbinen­ schaufel 1 in diese integriert werden. Das kann beispielsweise durch Einlöten in Hohlräume erfolgen, die zuvor mittels Funkenerosion ausgebildet werden. Andere Verfahren sind ebenfalls möglich.

Claims (11)

1. Turbinenbauteil, insbesondere Turbinenschaufel (1) für Gasturbinen, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Turbinenschaufel (1) wenigstens ein vorzugsweise mehrere die Wärme sehr gut leitende Bauelemente (2) so integriert sind, daß sie die Turbinenschaufel (1) in Richtung des größten Temperaturgradienten teilweise oder vollständig durchsetzen.

2. Turbinenbauteil, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärmetransport von der Begrenzungsfläche (1B) einer jeden Turbinenschaufel (1) in deren Innenbereich Bauelemente (2) vorgesehen sind, welche in die Hohlräume (1H) und die Stege (1S) im Innern der Turbinenschaufel (1) hinein ragen und bis unmittel­ bar unter die Begrenzungsfläche (1B) geführt sind.

3. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge eines jeden Bauelements (2) so gewählt ist, daß das erste Ende (2A) eines jeden Bauelements (2) in einen Hohlraum (1H) der Turbinenschaufel (1) ragt oder in einen Steg (1S) der Turbinenschaufel (1) integriert ist, und daß das zweite Ende (2B) eines jeden Bauelements (2) bis unmittelbar unter die Begrenzungsfläche (1B) heran geführt ist oder bereits wenige mm davor endet.

4. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einer auf die Begrenzungsflächen (1B) aufgetragenen Wärmedämmung (3) die Länge eines jeden Bauelements (2) so gewählt ist, daß das erste Ende (2A) eines jeden Bauelements (2) in einen Hohlraum (1H) der Turbinenschaufel (1) ragt oder in einen Steg (1S) der Turbinenschaufel (1) integriert ist, und daß das zweite Ende (2B) eines jeden Bauelements (2) bis unmittelbar unter die Oberfläche (1E) der Wärmedämmung (3) heran geführt ist oder bereits davor endet.

5. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauelemente (2) aus einem gut wärmeleitenden Material in Form einer Ni-Al-Basislegierung, einer intermetallischen Aluminiumlegierung oder einem kerami­ schen, oxidischen oder nichtoxidischen Werkstoff hergestellt sind.

6. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Bauelement (2) als Stift mit einem runden oder elliptischen Querschnitt ausgebildet ist.

7. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Bauelement (2) als Ellipsoid ausgebildet ist.

8. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Enden der Bauelemente (2) auf einen optimalen Wärmeübergang abge­ stimmt sind.

9. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauelemente (2) als Hohlkörper ausgebildet und mit einer gut wärmelei­ tenden und temperaturbeständigen Flüssigkeit gefüllt sind, die auf den Temperatur­ bereich in Gasturbinen abgestimmt ist.

10. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauelemente (2) als Wärmerohre ausgebildet sind, deren Kondensati­ onszonen im Bereich der Hohlräume (1H) oder Stege (1S) angeordnet und deren Verdampfungszonen innerhalb der heißen Bereiche einer jeden Turbinenschaufel (1) positioniert sind, und die eine Flüssigkeit enthalten, die an den Temperaturbereich in Gasturbinen angepaßt ist, und daß zum Rücktransport des Kondensats im Inneren eines jeden Wärmerohrs wenigstens eine Kapillarstruktur vorgesehen ist.

11. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bauelemente (2) in den Gußkern und/oder die Gußschale eingefügt sind.