DE19950417A1 - Turbinenbauteil - Google Patents
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999150417 DE19950417A1 (de) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | Turbinenbauteil |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999150417 DE19950417A1 (de) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | Turbinenbauteil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19950417A1 true DE19950417A1 (de) | 2001-04-26 |
Family
ID=7926205
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999150417 Withdrawn DE19950417A1 (de) | 1999-10-20 | 1999-10-20 | Turbinenbauteil |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19950417A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1715249A1 (de) * | 2005-04-19 | 2006-10-25 | Siemens Aktiengesellschaft | Hitzeschildelement und Brennkammer mit einem Hitzeschild |
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DE69416316T2 (de) * | 1993-11-08 | 1999-08-26 | Alliedsignal Inc. | Verlötung von keramik mit metall für leitschaufelzusammenbau |
-
1999
- 1999-10-20 DE DE1999150417 patent/DE19950417A1/de not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
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