DE19950417A1 - Turbinenbauteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenbauteil (1) für eine Gasturbine. Die bis jetzt verwendeten Turbinenbauteile (1) weisen einen Grundkörper (2) auf, der aus einer Nickelbasislegierung gefertigt und mit einer Wärmedämmschicht aus Keramik versehen ist. Trotz der zusätzlichen Wärmedämmschichten (5) ist ein sehr hoher Kühlungsaufwand erforderlich. Beliebig dicke Wärmedämmschichten (5) können auf die Turbinenbauteile (1) nicht aufgetragen werden, da diese mit zunehmender Stärke zum Abplatzen neigen. Von den Verbrennungsgasen der Gasturbine werden große und kleine Teile mit bewegt. Diese Teile können beim Auftreffen auf die Oberfläche eines Turbinenbauteils (1) beträchtliche Mengen an Material abtragen. Um diese Nachteile zu umgehen und die Lebensdauer von Turbinenbauteilen (1) zu erhöhen, wird sowohl der Grundkörper (2) als auch der Schutzüberzug (5) eines jeden Turbinenbauteils (1) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt.

Description

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

Bei diesen Bauteilen handelt es sich beispielsweise um Leit- und Laufschaufeln sowie heißgasführende Übergangsbauteile von Gasturbinen bzw. um Bauelemente von Brennkammern solcher Gasturbinen. Die meisten der genannten Bauelemente werden während des Betriebs der Gasturbine direkt von deren heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt. Sie werden dabei sowohl thermischen als auch mechanischen Bean­ spruchungen unterzogen. Die Leit- und Laufschaufeln, die bis jetzt aus einem metalli­ schen Werkstoff auf der Basis von Nickel gefertigt werden, sind deshalb mit einer Wärmedämmschicht aus Keramik versehen. Trotz dieser zusätzlichen Wärmedämm­ schichten ist ein sehr hoher Kühlungsaufwand für diese Turbinenbauteile erforderlich, da die metallischen Werkstoffe nur Temperaturen ausgesetzt werden dürfen, die eini­ ge 100°C unter der Temperatur der Verbrennungsgase liegen. Beliebig dicke Wärme­ dämmschichten können auf die Turbinenbauteile nicht aufgetragen werden, da diese Schichten mit zunehmender Stärke zum Abplatzen neigen.

Von den heißen Gasen werden kleine und größere Teile mitgeführt. Die kleinen Teil­ chen stammen aus der Verbrennungsluft, dem Brennstoff und den Brennstoffleitun­ gen. Bruchstücke von Bauteilen der Gasturbine oder des Kompressors, die sich auf Grund von Beschädigungen oder der Alterung von Material gelöst haben, bilden die größeren Teile. Während des Betriebs der Gasturbine werden diese Teile von dem Gas mit großen Geschwindigkeiten mit bewegt. Sie sind damit in der Lage sind, beim Auftreffen auf die Oberfläche einer Turbinenschaufel beträchtliche Mengen an Material abzutragen. Unter extremen Bedingungen kann der Verlust an Material so groß sein, daß Turbinenschaufeln schon nach einigen Monaten nicht mehr voll funktionsfähig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbinenbauteil aufzuzeigen, das ge­ genüber den hohen Temperaturen der Verbrennungsgase und gegen den Aufprall auch von großen Teilen widerstandsfähig ist, die von den Gasen mit geführt werden.

Erfindungsgemäß wird der Grundkörper eines jeden Turbinenbauteils aus einem ke­ ramischen Werkstoff so hergestellt, daß seine Dichte größer als 98% der theoreti­ schen Dichte des keramischen Werkstoffs ist. Zudem wird jedes Turbinenbauteil mit einem keramischen Schutzüberzug versehen. Dieser Schutzüberzug wird durch eine oder mehrere keramische Schichten gebildet. Hierfür wird auf jeden Grundkörper we­ nigstens eine Oberflächenschicht aufgebracht. Auf diese wird zusätzlich eine Deck­ schicht aufgetragen. Die Verwendung einer haftvermittelnden Schicht zwischen dem Grundkörper des Turbinenbauteils und der Oberflächenschicht sowie zwischen dieser und der Deckschicht kann unter bestimmten Bedingungen sinnvoll und notwendig sein. Der Schutzüberzug kann zur Minimierung von statischen oder transienten me­ chanischen Spannungen in Segmente unterteilt werden. Die Segmentierung erfolgt durch die Ausbildung von Spalten, die senkrecht oder schräg zu Oberfläche des Grundkörpers ausgerichtet sind. Diese Spalte können, senkrecht zur Oberfläche be­ trachtet, ein Netzwerk beliebiger Struktur bilden. Die Segmente weisen einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 10 mm auf. Die Spalte können dabei in einer oder beiden Schichten des Schutzüberzugs ausgebildet werden. Es besteht ferner die Möglichkeit die Spalte von der Oberseite der Deckfläche bis zur Oberfläche des Grundkörpers zu führen. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, wenn jeder Spalt der Deckschicht an der Oberflächenschicht endet, während die Spalte der Oberflächenschicht immer da be­ ginnen, wo keine Spalte der Deckschicht enden.

Beide Schichten des Schutzüberzugs können Poren auf. Die Porosität wird für beide Schichten auf einen speziellen Wert eingestellt. Die Oberflächenschicht weist in jedem Fall eine größere Porosität als die Deckschicht auf. Durch die höhere Porosität der Oberflächenschicht wird eine größere elastische und quasi plastische Verformbarkeit erreicht. Die Energie, die beim Aufprall von im Gas mitgeführten Teilchen auf ein Tur­ binenbauteil übertragen wird, kann damit so stark absorbiert werden, daß eine Schä­ digung des Grundkörpers vermieden wird.

Durch die endliche Wärmeleitfähigkeit der Oberflächenschicht werden auch die Funk­ tionen einer optimalen Wärmedämmung erfüllt. Da keramische Werkstoffe eine we­ sentlich höhere Temperaturkapazität aufweisen als metallischen Werkstoffe, ist für die erfindungsgemäßen Turbinenbauteile nur eine minimale Kühlung oder kein zusätzliche Kühlung erforderlich.

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 Turbinenbauteil,

Fig. 2 eine Variante des in Fig. 1 dargestellten Turbinenbauteils,

Fig. 3 eine weiteres Turbinenbauteil im Ausschnitt.

Das in Fig. 1 dargestellt Turbinenbauteil 1 in Form einer Turbinenschaufel weist einen Grundkörper 2 sowie eine Oberflächenschicht 3 und eine Deckschicht 4 auf, die zu ei­ nem Schutzüberzug 5 gehören. Der Grundkörper 2 der Turbinenschaufel 1 ist aus ei­ nem keramischen Werkstoff hoher mechanischen Festigkeit gefertigt. Seine Dichte ist größer als 98% der theoretischen Dichte des keramischen Werkstoffs. Der Schutz­ überzug 5 ist so auf den Grundkörper 2 aufgetragen, daß er die gesamte Turbinen­ schaufel 1 überdeckt. Seine Dicke beträgt 0,05 mm bis 10 mm. Falls das Turbinen­ bauteil 1 beim Betrieb einer Gasturbine (hier nicht dargestellt) extremen Bedingungen ausgesetzt ist, kann der Grundkörper 2 auch mit mehreren Schutzüberzügen 5 verse­ hen werden. Die Oberflächenschicht 3, welche zum Schutzüberzug 5 gehört, ist direkt, oder wie Fig. 2 zeigt, unter Zwischenfügen einer haftvermittelnden Schicht 6 auf die Oberfläche 2S des Grundkörpers 2 aufgetragen. Die Zwischenschicht 6 kann durch das Auftragen eines keramischen Materials auf die Oberfläche 2S oder durch eine dünne Folie aus Keramik gebildet werden. Sie dient der Ausbildung und Erhaltung ei­ ner zuverlässigen thermischen und mechanischen Verbindung zwischen dem Grund­ körper 2 und der Oberflächenschicht 3. Die Oberflächenschicht 3 wird aus einem ke­ ramischen Werkstoff gefertigt. Sie wird so ausgebildet, daß sie eine größere Porosität als die nachfolgende Deckschicht 4 aufweist. Die Dicke der Oberflächenschicht 3 kann unabhängig von der Dicke der Deckschicht 4 zwischen 0,005 und 2 mm gewählt wer­ den. Die Porosität der Oberflächenschicht 3 wird bei deren Herstellung so eingestellt, daß sie zwischen 5% und 95% beträgt. Die Poren 3P können beliebige Abmessungen aufweisen. Falls die Poren 3P eine mehr lineare Ausdehnung aufweisen, können ihre Längsachsen parallel oder auch in einer anderen Richtung zur Längsachse der Turbi­ nenschaufel 1 ausgerichtet sein. Die Querschnitte dieser Poren 3P sind rund, elliptisch oder polygonal. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung der Oberflächenschicht 3 so, daß die Poren 3P einen drei- bis achteckigen Querschnitt aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, die Poren 3P so auszubilden, daß sie alle verschiedene Querschnitte aufwei­ sen. Die Poren 3P können zudem so ausgebildet werden, daß sie untereinander eine sogenannte dichteste Packung bilden. Die Stege 3S zwischen den Poren 3P und die Verbindungsstellen der Stege untereinander können beliebige Formen haben.

Auf die Oberflächenschicht 3 wird die Deckschicht 4 unmittelbar, oder wie Fig. 2 ebenfalls zeigt, unter Zwischenfügen einer Zwischenschicht 7 aufgetragen. Die zweite Zwischenschicht 7 ist in entsprechender Weise wie die erste Zwischenschicht 6 aus­ gebildet. Sie dient dazu, eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen der Oberflächenschicht 3 und der Decksicht 4 auszubilden und zu erhalten. Die Deck­ schicht 4 ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Die Deckschicht 4 kann Poren 4P versehen sein. Sie weist eine Dichte auf, die mindestens 95% der theoretischen Dichte des keramischen Werkstoffs aufweist, der für ihre Herstellung verwendet wird. Vorzugsweise wird ihre Dichte jedoch so gewählt, daß sie größer als 98% der theoretischen Dichte dieses keramischen Werkstoffs ist.

Der Schutzüberzug 5 kann, wie Fig. 2 zeigt, zur Minimierung von statischen oder tran­ sienten mechanischen Spannungen in Segmente 8 unterteilt werden. Die Segmentie­ rung erfolgt durch die Ausbildung von Spalten 9, die senkrecht oder schräg zu Ober­ fläche 2S des Grundkörpers 2 ausgerichtet sind. Diese Spalte 9 können senkrecht zur Oberfläche 2S betrachtet, ein Netzwerk beliebiger Struktur bilden. Die Breite der Spalte 9 kann kleiner 1 µm sein. Die Segmente 8 weisen einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 10 mm auf. Die Spalte 9 können dabei in einer oder beiden Schichten 3, 4 des Schutzüberzugs 5 ausgebildet werden. Es besteht ferner die Möglichkeit die Spalte 9 von der Oberseite der Deckschicht 4 bis zur Oberfläche 2S des Grundkörpers 2 zu führen. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, wenn jeder Spalt 9 der Deckschicht 4 an der Oberflächenschicht 3 endet, während die Spalte 9 der Oberflächenschicht 3 immer da beginnen, wo keine Spalte 9 der Deckschicht 4 enden.

Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, kann die Oberflächenschicht 3 auch so ausgebildet sein, daß sie konvexe Wölbungen 3K aufweist. Hierfür wird das Material der Oberflächen­ schicht 3 in Form solcher Wölbungen 3K so auf die Oberfläche 2S des Grundkörpers 2 einer nur im Ausschnitt dargestellten Turbinenschaufel 1 aufgetragen, daß zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Wölbungen 3K ein definierter Abstand verbliebt. Das Material der Oberflächenschicht 3 kann jedoch auch so aufgetragen werden, daß sich jeweils zwei aufeinander folgenden Wölbung 3K überlappen (hier nicht darge­ stellt). Jede diese Wölbungen 3K wird anschließend mit Material der Deckschicht 4 in einer gleichmäßigen Dicke vollständig überzogen. In den Bereichen zwischen jeweils zwei Wölbungen 3K, wird dann nochmals Material der Oberflächenschicht 3 in Form einer Wölbung 3K angeordnet, wobei diese Wölbung 3K die beiden angrenzenden Wölbungen 3K jeweils fast bis zur Hälfte überlappt. Diese überlappenden Wölbungen 3K sind ebenfalls vollständig vom Material der Deckschicht 4 in gleichmäßiger Stärke überzogen.

Claims (16)

1. Turbinenbauteil für eine Gasturbine mit einem Grundkörper (2) und einem Schutzüberzug (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) und der Schutzüberzug (5) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind.

2. Turbinenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund­ körper (2) eine Dichte aufweist, die größer als 98% der theoretischen Dichte des ke­ ramischen Werkstoffs, der für seine Herstellung vorgesehen ist.

3. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schutzüberzug (5) wenigstens eine Oberflächenschicht (3) und eine nach außen gerichtete Deckschicht (4) umfaßt, die beide aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind und eine definierte Porosität aufweisen.

4. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberflächenschicht (3) unmittelbar auf den Grundkörper (2) und die Deckschicht (4) unmittelbar auf die Oberflächenschicht (3) aufgetragen ist.

5. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Grundkörper (2) und der Oberflächenschicht (3) sowie zwi­ schen dieser und der Deckschicht (4) jeweils eine Zwischenschicht (6, 7) aus einem keramischen Werkstoff vorgesehen ist.

6. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schutzüberzug (5) zur Minimierung von statischen oder transienten me­ chanischen Spannungen in Segmente (8) unterteilt ist, die durch Spalte (9) begrenzt sind und einen Durchmesser von 0,5 bis 10 mm aufweisen.

7. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spalte (9) senkrecht oder schräg zur Oberfläche (2S) des Grundkörpers (2) ausgerichtet sind.

8. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, daß die Spalte (9) von der Oberfläche der Deckschicht (4) bis zur Oberfläche (2S) des Grundkörpers (2) durchgängig geführt sind.

9. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spalte (9) der Deckschicht (4) versetzt zu den Spalten (9) der Oberflä­ chenschicht (3) ausgebildet sind.

10. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberflächenschicht (3) in Form von konvexen Wölbungen (3K) ausgebil­ det ist, daß auf dem Grundkörper (2) jeweils zwei aufeinander folgende Wölbungen (3K) in einem definierten Abstand voneinander angeordnet und vollständig von einer Deckschicht (4) überzogen sind, daß zwischen zwei Wölbungen (3K) eine weitere Wölbung (3K) ausgebildet ist, welche die beiden angrenzenden Wölbungen (3K) teil­ weise überlappt und ebenfalls von einer Deckschicht (4) überzogen ist, und daß die Deckschichten (4) überall die gleiche Dicke aufweisen.

11. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberflächenschicht (3) in Form von konvexen Wölbungen (3K) ausgebil­ det ist, daß auf dem Grundkörper (2) jeweils zwei aufeinander folgende Wölbungen (3K) sich wenigstens bereichsweise überlappen und vollständig von einer Deckschicht (4) überzogen sind, daß auf jeweils zwei aufeinander folgende und wenigstens be­ reichsweise einander überlappende Wölbungen (3K) eine weitere Wölbung (3K) aus­ gebildet ist, welche die beiden Wölbungen (3K) teilweise überlappt und ebenfalls von einer Deckschicht (4) überzogen ist, und daß die Deckschichten (4) überall die gleiche Dicke aufweisen.

12. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) mindestens eine Dicke zwischen 0,005 mm und 2,0 mm aufweist.

13. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Deckschicht (4) eine Dicke zwischen 0,02 mm und 5,0 mm aufweist.

14. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Porosität der Oberflächenschicht (3) zwischen 5% und 95% der theoretischen Dichte des für ihre Herstellung verwendeten keramischen Werkstoffs beträgt.

15. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichte der Deckschicht (4) mindestens 95% der theoretischen Dichte des für ihre Herstellung verwendeten keramischen Werkstoffs beträgt.

16. Turbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grundkörper (2) mit mehreren aus einem keramischen Werkstoff gefertigten Schutzüberzügen (5) versehen ist.