DE2754896A1

DE2754896A1 - Fluessigkeitsgekuehlte gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE2754896A1
Application number: DE19772754896
Authority: DE
Inventors: Rodger Orval Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-12-13
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1978-06-15
Also published as: US4156582A; JPS5374613A; IT1089025B; FR2373670A1; FR2373670B1; NL7713810A; GB1574166A; NO774256L

Description

Eine allgemeine Beschreibung der thermodynamisehen und aerodynamischen Theorie bezüglich der Gestaltung eines Gasturbinentriebwerks findet sich in 'Gas Turbine Theory¹, zweite Ausgabe, John Wiley & Sons, 1973, von H. Cohen. Auf Seite 232 dieser Veröffentlichung werden "gekühlte Turbinen¹ erörtert, bei denen eine Anwendung einer beträchtlichen Kühlmittelmenge an den Düsen- und Rotorschaufeln erfolgt. Dieses ermöglicht eine Vergrößerung der Turbineneinlaßtemperatur und hierdurch eine Vergrößerung der spezifischen Leistungsabgabe. In der Veröffentlichung ist erwähnt, daß abgesehen von der Verwendung einer Sprühkühlung zur Schubverstärkung in Turbostrahltriebwerken sich die Flüssigkeitssysteme nicht als praktisch erwiesen haben. Eine Erörterung gewisser Materalien und Verfahren, die bei den General Electric liochleistungsgasturbinen benutzt werden, findet sich in einer Veröffentlichung von F.D. Lordi mit dem Titel 'Gas Turbine Materials and Coatings', GLR-2182J, General Electric Co., 1976. Diese Veröffentlichung enthält eine detaillierte Beschreibung der Behandlungstechniken zum Gießen von Turbinenschaufeln sowie -düsen, ferner der Legierungen, aus denen sie hergestellt sind, und der Anwendung von korrosionsbeständigen beschichtungen.

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Bauliche Anordnungen für eine offene Flüssigkeitskühlung von Gasturbinenschaufeln sind in den US-Patenten 3 445 481 und 3 446 482 aufgezeigt. Das erstgenannte Patent offenbart eine Schaufel mit an beiden Enden offenen Kühlkanälen, die von einer Reihe von Rippen, welche einen Teil des Kernabschnitts der Schaufel ausmachen, und einer Blechhaut begrenzt werden, die den Kern abdeckt und an den Rippen angeschweißt ist. Das zweite Patent offenbart ein Spritzen von unter Druck stehender Flüssigkeit in hohle geschmiedete oder gegossene Turbinenschaufeln. Das US-Patent 3 619 o76 beschreibt ein offenes Kühlsystem, bei dem eine Turbinenschaufelkonstruktion aus einem zentralen flügelformigen Holm (spar) besteht, der mit einem Blech überzogen ist, welches eine sehr große Wärmeleitfähigkeit hat und beispielsweise aus Kupfer besteht. Das Uberzugblech hat in der an den Holm angrenzenden Seite ausgesparte Nuten, die zusammen mit der glatten Holmoberfläche Kühlmittelkanäle bestimmen, die über die Oberfläche der Turbinenschaufel verteilt sind. Es gibt zahlreiche Nachteile bezüglich des Bildens von Flüssigkeitskühlkanälen durch Verbinden eines Blechs mit einem Kern, und zwar bei beiden der in den US-Patenten 3 445 481 oder 3 619 o76 gezeigten Konfigurationen. Wenn zum Anschließen bzw. Verbinden der Haut eine Lötung verwendet wird, werden somit einige Kanäle der Turbinenschaufeln mit Lötmateiial verstopft. Es sind hervorragende Bindungen zwischen dem Kern und der Haut erforderlich, um das Wasser in einer Vollkanalströmung unter den extrem großen Flüssigkeitsdrücken als Folge der Zentrifugalkräfte während des Turbinenbetriebes aufzunehmen. Außerdem können irgendwelche Risse in der Haut eine Kühlmittelleckerscheinung und einen hieraus resultierenden Flügelausfall begründen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer zweckmäßigen flüssigkeitsgekühlten Gasturbinenschaufel .

Zur Lösung der gestellten Aufgabe hat eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbinenschaufel erfindungsgemäß ein Druckwasserkühlsystem, wobei das Kühlwasser in Rohren strömt, die sich unter einer schützenden Haut befinden. Die Schaufel hat einen Körper mit darin angeordneten radialen Nuten nahe der Körperoberfläche, wobei ein wärmeleitendes Rohrgebilde in die Nuten eingesetzt und

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mit diesen verbunden ist. Die Kühlflüssigkeit strömt durch die Rohre, und eine schützende Haut ist mit der äußeren Oberfläche des Körpers verbunden, um für eine Korrosionsbeständigkeit gegenüber der heißen korrodierenden Umgebung der Gasturbine zu sorgen. Die Haut ist vorzugsweise ein zusammengesetztes Gebilde mit einer inneren Haut, die für eine große Wärmeleitfähigkeit sorgt, und einer äußeren Haut, die für einen Schutz gegenüber Hochtemperaturkorrosion sorgt. Eine Druckbeaufschlagung des Systems bis etwa 1o5 kp/cm⁴" (15oo psi) ermöglicht einen großen Temperaturanstieg des Kühlwassers ohne Auftreten eines heftigen Siedens.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 - in einer perspektivischen Ansicht, bei der Teile weggebrochen sind, eine Turbinenschaufel mit den neuen Merkmalen der vorliegenden Erfindung, Figur 2 - in einem Querschnitt den Flügelabschnitt einer in Figur

1 dargestellten Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 - in einer vergrößerten Teilansicht den Flügel aus Figur

zum Aufzeigen der Lage der Kühlrohre,

Figur 4 - in einem Querschnitt den Flügelabschnitt einer Turbinenschaufel gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 - in einer vergrößerten Teilansicht den Flügel aus Figur

zum Aufzeigen der Lage der Kühlrohre, Figur 6 - in einem Längsschnitt den Pfad der Kühlflüssigkeit in

einer Vollkanalströmung (full channel flow) und

Figur 7 - in einem Längsschnitt den Pfad der Kühlflüssigkeit in einer Teilkanalströmung (partial channel flow).

Gemäß Figur 1 besteht eine Turbinenschaufel 1o aus einem Schaft 12 und einem wassergekühlten Flügelkörper 14, der aus einem Kern 16 aufgebaut ist, welcher eine Vielzahl von radialen Nuten hat, die in die Oberfläche eingegossen oder eingearbeitet sind. Die Anzahl dieser Nuten 18 hängt von der Größe und den Kühlungserfordernissen der Schaufel 1o ab. In diese Nuten 18 sind vorgeformte Kühlrohre 2o eingepaßt, die mit dem Kern 16 beispielsweise

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J*MCW HA

durch Löten verbunden sind und die vorzugsweise einen Bereich haben, welcher freiliegt und sich in Kontakt mit einer zusammengesetzten Außenhaut 22 befindet, der die äußere Oberfläche des Kerns 16 abdeckt und umgibt. Diese zusammengesetzte Außenhaut 22 hat eine innere Schicht oder Haut 23, die höchst wärmeleitend ist, um eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur an der Schaufeloberfläche während des Betriebes der Turbine aufrechtzuerhalten, und zwar als Ergebnis der den heißen Gasen an der Außenseite der Schaufel erfolgenden Aussetzung und der inneren Wasserkühlung. Das bevorzugte Material der inneren Haut ist Kupfer oder uin kupferhaltiges Material, das jedoch gegenüber der während des Betriebes der Gasturbine vorhandenen korrodierenden Atmosphäre der heißen Gase nicht beständig ist. Deshalb ist eine äußere korrosionsbeständige Haut 24 erforderlich, um die innere Haut 23 abzudecken und zu schützen.

Die Kühlrohre 2o verbinden gemäß der Darstellung den Fuß-Raum 26 sowie 27 mit dem Spitzenummantelung-Raum 3o. Einige der Kühlrohre 2o sind bis zur Unterseite der Spitzenummantelung 28 fortgeführt, um dann serpentinenartig vorwärts und rückwärts zu verlaufen, bevor ein Entleeren in den Spitzenummantelung-Raum 3o erfolgt. Dieses kühlt die Ummantelung und unterstützt das Herstellungsverfahren, da der Ummantelungskuhlkanal eine Fortsetzung der Flügelkühlrohre 2o ist. Es ist kein kritisches Verbinden erforderlich. Der Kern 16 ist zusammen mit der Spitzenummantelung sowie dem Schaft 12 gegossen und trägt die zentrifugale Belastung der Rohre 2o, der zusammengesetzten Haut 22 und der Spitzenummantelung 28.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt des Flügelabschnitts 14 der Turbinenschaufel 1o, und Figur 3 ist eine Ausschnittvergrößerung des Gebildes in der Nähe eines der Rohre 2o. Gemäß Darstellung sind die Kühlrohre 2o in die Nuten 18 im Kern 16 des Flügels eingesetzt und mittels einer Lötung 32 hiermit verbunden. Die zusammengesetzte Haut 22, welche aus einer inneren Haut 23 und einer äußeren Haut 24 besteht, überlagert bzw. überdeckt die Rohre 2o und den Kern 16.

Figur 4 beinhaltet eine Abwandlung der Ausgestaltung gemäß Figur 2. Eine Vergrößerung des Gebildes in der unmittelbaren

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BAD ORIGINAL

Nähe eines der Rohre 2o ist in Figur 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Kern 16 so gegossen, daß er eine glatte Oberfläche ohne Nuten hat. Die Kühlrohre 2o sind nunmehr beispielsweise durch pulvermetallurgische Techniken in eine wärmeleitende Kupferschicht 2 3A eingebettet, die als ein Wärmeaustauscher fungiert. Wiederum sorgt eine schützende Haut 24 für ein Abdecken und für einen Korrosionsschutz bezüglich der Unterschicht 23A.

Figur 6 zeigt eine Kühlanordnung mit dem Wasser in Vollkanalströmung (full channel flow), das heißt die Kühlrohre 2o sind vollständig mit unter Druck stehendem Wasser gefüllt, und die Pfeile zeigen die Richtung des Kühlwasserstroms an. Das Wasser strömt anfänglich aus einem Kanal in dem Schaft 12 nach außen in den Fuß-Raum 26, der mit den Rohren 2o auf der konvexen Seite des Flügels 14 verbunden ist. Das Wasser strömt dann durch die Rohre 2o, um zunächst die konvexe Seite des Flügels 14 zu kühlen und um dann serptmtinenartig rückwärts und vorwärts zu fließen, bevor es in den Spitzeriummantelung-Raum 3o abfließt. Anschließend strömt das Wasser über einen anderen Serpentinenpfad durch Kühlrohre 2o in die konkave Seite des Flügels 14, um in den Fuß-Raum 26Λ entleert zu werden. Anschließend wird das Wasser durch ein Austrittsrohr 34 abgelassen.

Eine andere Ausführungsform ist in Figur 7 dargestellt, wo die Kühlanordnung dergestalt ist, daß sich das Wasser in einem Teilkanalstrom (partial channel flow) befindet, das heißt die Kühlrohre 2o sind nur teilweise mit Wasser in flüssiger Form gefüllt. Bei dieser Bauart fließt das Wasser von einem Kanal in dem Schaft 12 nach außen in beide Fuß-Räume 26 und 26A, die die Rohre 2o an den konvexen und konkaven Seiten des Flügels 14 versorgen. Das Wasser strömt dann nach außen durch die Rohre 2o in den Spitzenummantelung-Raum 3o, und zwar mittels eines Serpentinenpfades in der Spitzenummantelung 28, und aus einer Austrittsöffnung 36.

Ein Ausbilden von Ablagerungen mineralischer Art oder aus irgendeinem anderen Material an der Innenseite der Kühlrohre sollte vermieden werden. Somit ist es wichtig, im wesentlichen reines Wasser zu benutzen, wie entmineralisiertes Wasser.

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Das Material der äußeren Haut sollte eine relativ große Wärmeleitfähigkeit haben, so daß die Oberflächentemperaturen und die Wärmegradienten reduziert werden können. Die thermische Expansion bzw. Wärmeausdehnung der äußeren Haut muß äquivalent oder vorzugsweise kleiner als die der Unterhaut sein, um thermische Spannungen zu reduzieren. Eine Optimierung dieser physikalischen Eigenschaften führt zu einer Maximierung der Ennüdunq bei wenigen

und

Lastwechseln (low cycle fatigue) Kriechbruch-Lebensdauer (creeprupture life).

Da die Haut direkt dem Heißgasstrora ausgesetzt ist, ergibt sich eine kompliziertere Materialauswahl. Die primären Betriebserfordernisse für die äußere Haut sind eine Beständigkeit gegenüber einer Ermüdungsbeschädigung bei geringen lustwechseln. * im r i:mn<sion, einer Heißgaserosion, einer Fremdkörperbeschädigung und einer metallurgischen Instabilität. Kriechverhalten und Ermüdung \α·λ Iläufigen Lastwechseln können auch wesentlich sein. Alle diese Größen sind wichtig zum Erreichen einer langen Betriebslebensdauer. Eine metallurgische Instabilität kann zu einer starken Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen.

Zu den Fabrikationserfordernissen der äußeren Haut gehören eine Formbarkeit, eine Schweißbarkeit, eine Lötbarkeit und eine Materialverträglichkeit bei allen Benandlungsschritten. Eine Formbarkeit ist erforderlich, um das sich in Streifen- bzw. Blattform befindlicne Material mit einer Dicke von etwa o,127 - o,5o8 mm (5 - 2o mil) in zufriedenstellender Weise um die Schaufelflügelabschnitte wickeln zu können, und eine Duktilität von 2o % wird als angemessen bzw. passend angesehen. Eine Schweißbarkeit und eine Lötbarkeit sind erforderlich, um die Hautabschnitte untereinander und mit der inneren Haut zu verbinden. Wegen der vorzunehmenden Behandlung (Formung, Wärmebehandlungen, Verbindungsvorgänge usw.) müssen die Eigenschaften stabil oder zumindest steuerbar und als Ergebnis dieser Vorgänge vorhersagbar sein.

Verwendbare Legierungen für die Außenhaut sind in Tabelle 1 beschrieben. Gemäß der Darstellung hat IN617 die zweckmässigsten Eigenschaften. Die nächstbesten Legierungen sind IN671 (Ni-5oCr), Hastelloy-S, Incoloy 825 und Carpenter 2oCb-3 Edelstahl. Andere berücksichtigte Materialien sind Nickel 2o1, die Ferrite

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BAD ORIGINAL

mit hohem Chromgehalt (high chromium ferrities) (Type 43o, Typ 446 und FeCrAiY gemäß dem US-Patent 3 528 861), Incoloy 8oo und 8o1, Hastelloy-X und HS188. Eine Niedertemperatur-Heißkorrosionsüberprüfung (low temperature hot corrosion testing) erbrachte, daß die IN671 (Ni-5oCr) Legierung das beste der getesteten Materialien war, während FeCrAiY, Hastelloy-X und HS188 erhebliche Vergrößerungen bezüglich der Korrosionsgeschwindigkeit zwischen 565° C und 635° C (1o5o° F und 1175° F) zeigten. Die Ni-Cr Außenhautzusammensetzungen bestehen bei IN671 im wesentlichen aus 5o - 8o Gewichtsprozent Nickel und 2o - 5o Gewichtsprozent Chrom.

Die wassergekühlten Düsen- bzw. Mündungs- und Schaufelanordnungen erfordern ein Verwenden einer höchst leitenden Innenhaut, um Spitzentemperaturen zu reduzieren und Wärmegradienten zu verringern. In der Tabelle 2 sind einige verwendbare Unterhautmaterialien aufgeführt. Die Notwendigkeit einer großen Wärmeleitfähigkeit beschränkt die Anzahl der auswählbaren Materialien. Wegen seiner großen Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer bevorzugt. Silber, das gleichermaßen leitfähig wie Kupfer ist, wurde wegen seiner Kosten und seines niedrigen Schmelzpunktes nicht berücksichtigt. Wegen seiner schlechten bzw. geringen Beständigkeit gegenüber einer Wassererosion und wegen einer mangelnden Beständigkeit gegenüber einer Umgebungsdegradation (Korrosion/Erosion) durch das heiße Gas ist ein Schutz des Kupfers ein absolutes Erfordernis; dementsprechend besteht die Notwendigkeit für eine Außenhaut. Die Außenhautmaterialien zum Schützen des Kupfers gegenüber dem heißen Gas sind oben bzw. in Tabelle 1 erörtert.

Reines Kupfer führt nicht zu einer ausreichenden Festigkeit (Kriechen und Strecken) an den Schau-

felhinterkanten. Ein/Kaltrecken bzw. Kaltverformen ist nicht wirksam, und zwar wegen des schnellen Ausglühens während der Wärmezyklusbehandlungen. Ein handelsüblich erhältliches Oxid (Al-O.,) ausscheidungsgehärtetes bzw. -verfestigtes (oxide dispersion strengthened, ODS) Kupfer (Glidcop) wird für eine Anwendung an den Hinterkanten berücksichtigt. Glidcop zeigt eine größere Festigkeit in Verbindung mit einer verbesserten Festigkeit bei einer erhöhten Temperatur als OFHC Kupfer während gleichzeitiger Beibehaltung einer großen Leitfähigkeit. /Verfestigen durch

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Bei den Schaufelanordnungen ist ein korrosionsbeständiges Rohr mit einem kleinen Durchmesser und einer dünnen Wandung {das heißt 2,54 mm bzw. 1oo mil Außendurchmesser, o,254 - o,5o8 nun bzw. 1o - 2o mil Wandungsstärke) zum Trennen der Kupferunterhaut von dem Kühlwasser erforderlich, da das Kupfer einer Korrosion unterworfen ist. Im Idealfall sollte das Rohmaterial eine relativ große Wärmeleitfähigkeit mit einer in bezug auf Kupfer äquivalenten oder größeren Wärmeausdehnung haben. In bezug auf Kupfer haben die meisten Materialien eine etwas kleinere Wärmeausdehnung, doch ist die Fehlanpassung nicht groß genug, um während der Behandlung oder während des Betriebes ein Anlaß zur Besorgnis zu sein. Bei einem bevorzugten System ist das Rohr aus A286-Legierung hergestellt, die eine gute Korrosionsbeständigkeit hat und zu einer idealen Anpassung bezüglich der ebenfalls aus derselben Legierung gegossenen Schaufel führt.

Das Schaufelkernmaterial benötigt nicht die sehr große Temperaturfestigkeit, die für herkömmliche Gasturbinenschaufelmaterialien ( Superlegierungen) erforderlich ist., da der Betrii-b im 15o - 315° C Bereich (3oo - 6oo° F) erfolgt, gegenüber herkömmlichen Schaufeln mit Flügeln im 65o - 98o° C Bereich (12oo - 18oo° F) und Schwalbenschwanz/Schaftbereichen im 315 - 65o C Bereich (6oo 12oo° F). Obwohl für diese Temperaturen ein ausgedehntes Feld von Materialien infrage kommt, erfolgt eine diesbezügliche Einschränkung durch das Erfordernis einer großen thermischen Expansion relativ zu den äußeren/inneren Hautmaterialien. Ein Material höherer Zugfestigkeit ist auch für den Laufschaufelholm (bucket spar) im Vergleich mit dem Düsenholm (nozzle spar) erforderlich. Es ist eine gute Niederfrequenz- und Hochfrequenz-Ermüdungsbeständigkeit erforderlich. Eine Heißgas-Korrosionsbeständigkeit ist nicht bei Laufschaufelkernmaterialien erforderlich, bei denen ein Schutz durch die äußere Haut vorgesehen ist. Durch einen direkten Kontakt des Holms mit der Umgebungsatmosphäre können jedoch Probleme auftreten. Deshalb sollten die Holiranaterialien eine ihnen eigene Korrosionsbeständigkeit haben und eine Beständigkeit gegenüber einer Wassererosion aufweisen.

Für gute Herstellungsresultate müssen die Kerniuaterialien eine gute Gießbarkeit (oder Schmiedbarkeit), Bearbeitbarkeit,

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ΙΌ

Schweißbarkeit und Lötbarkeit besitzen. Irgendein Behandeln des zusammengesetzten Teils muß auch mit der erforderlichen Kernmaterial-Wärmebehandlung verträglich sein, um die kritischen Festigkeitseigenschaften beizubehalten.

Repräsentative Laufschaufelkernmaterialien enthalten Chrom-Nickel-Eisen-Legierungen wie A286 und Legierungen auf Nickelbasis wie IN718 und U5oo, wobei sich die diesbezüglichen Zusammensetzungen aus der Tabelle 3 ergeben. Die benutzte Terminologie und die Zusammensetzungen sind in 'Compilations of Chemical Compositions and Rupture Strengths of Superalloys¹ von W.F. Simmons, ASTM Data Series Publication No. DS9E, offenbart.

Die physikalischen Eigenschaften dieser Legierungen sind in Tabelle 4 angeführt. Im Hinblick auf seine thermischen Expansionseigenschaften ist A286 gegenüber IN718 bevorzugt. Jedoch ist die Schweißbarkeit von A286 schlecht, und bei großen Größen kann das Material geschmiedet statt gegossen werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf die in den Beispielen sowie Darstellungen aufgeführten spezifischen Details beschränkt ist und daß der Fachmann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Abwandlungen vornehmen kann.

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Tabelle 1 Außenhautmaterialien

Material

Hastelloy-S OOIN617 C0HSI88 ^Hastelloy-X *"ΙΝ671 (Ni-SoCr) ONickel 2o1 ^FeCrAI* (25-4-1)

Type 446

Type 43ο

Incoloy 800

Incoloy 80I

Incoloy 825

Carpenter 2oob-3

Wärmeausdehnung RT-537°C (1ooo°F) Wärmeleitfähigkeit

in

o_c-1

χ 1o° χ 1ο~⁶)

4,o6 (7,3)

4,28 (7,7)

4,56 (8,2)

4,28 (7,7)

4,11 (7,4-93°C bzw.2oo°F)

3,5 (6,3-geschätzt)

3,44 (6,2)

3,5 (6,3)

5,22 (9,4)

5,33 (9,6)

4,88 (8,8)

5,27 (9,5-geschätzt)

537°C	(looo P)	(11,6)
in kcal/m h ⁰C	(12,4)
(BTU/hr ft^{2 c}F/ft)	(11,5)
17,3	(11,3)
18,5	(34,2)
17,1	(15,2-geschätzt)
16,8	(13,5)
5o,8	(15,2)
22,6	(11,6)
2o,1	(11,9)
22,6	do,9)
17,25	(1o,5-4oo°C bzw.
17,7
16,2
15,6

Formbarkeit bei Raumtemperatur

gut

Grenzwert

sehr gut

Grenzwert

gut

Fortsetzung Tabelle 1 Außenhautmaterialien

Schweißbarkeit

Lötbarkeit

Erwartete Bearbeitungstoleranz

Langzeitstabilität

(f

Niederfrequenz· Ermüdungsbeständigkeit

sehr gut

gut
gut

^(c

angemessen gut
annehmbar

° annehmbar
oo

cn schlecht

schlecht
.(d

gut
gut
gut
gut

(d
(d
(d

gut

annehmbar

gut

annehmbar

gut

schlecht

schlecht-angemessen

schlecht

angemessen-schlecht

gut

hervorragend " gut^(h schlecht^ schlecht^(h gut⁽ⁱ gut⁽ⁱ gut⁽ⁱ sehr schlecht

schlecht-angemessen ^ gut⁽9 gut⁽ⁱ gut⁽ⁱ gut⁽ⁱ

gut

(i

angemessen schlecht ^ schlecht ^

angemessen

gut⁽ⁱ

(i

ro cn co

Erläuterungen zur Tabelle 1

a) FeCrAlY Entwicklung; alle anderen Materialien handelsüblich.

b) Formbarkeitsabschätzungen basierend auf einem Formen bei Raumtemperatur. Verbesserungen können jedoch im allgemeinen durch Zwischenglühungen oder durch ein Formen bei erhöhten Temperaturen erzielt werden.

c) Legierungen auf Kobaltbasis (beispielsweise HS188) und Legierungen auf Nickelbasis mit großem Co-Gehalt (beispielsweise IN617) können in Anwesenheit von Kupfer eine Schweißrissigkeit aufweisen.

d) In Abhängigkeit von dem Vorschweißzustand und/oder der Nachschweißwärmebehandlung kann diese Legierung während des Schweissens entstabilisiert werden/ was zu einer möglichen wässrigen Korrosion führt.

e) Obwohl alle berücksichtigten Legierungen gelötet werden können, ist eine weitere Bemühung wesentlich, um kompatible bzw. verträgliche, duktile bzw. geschmeidige, korrosionsbeständige und preiswerte Lötlegierungen zu identifizieren.

f) Die Stabilität bezieht sich auf eine Materialbeständigkeit gegenüber baulichen Veränderungen infolge einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaft, wie der Zähfestigkeit (FOD) Beständigkeit) .

g) Basiert auf Daten in dem erwarteten Hautbetriebsbereich (4oo bis 51o°C bzw. 75o bis 95o°F).

h) Basiert auf den niedrigsten erhältlichen Temperaturdaten (595

bis 65o°C bzw. 11oo bis 12oo°F). i) Abgeschätzt,
j) Berechnet.

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Tabelle 2
ünterhautmaterialien

Material

Wärmeleitfähigkeit in kcal/m h ⁰C (BTU/hr ft² °F/ft) Wärmeausdehnung
in

o_c-1

χ 1Ö⁶

χ 1o"⁶)

CO OO NJ

Kupfer (OFHC) Gliacop A12o Nickel 2o1

^Kriechfestigkeit

(ÖOO°F)

336

(226-2o°C bzw. 68°F)

3o3,5 (2o4-2o°C bzw. 68°F) 63,5 (42,7-93°C bzw.2oo°F) 5,45 ( 9,8 - 2o-3oo°C bzw. 68-572°F) 5,88 (1o,6 - 38-315°C bzw.1oo-6oo°F)

4,11 ( 7,4 -

Wassererosionsschwelle in cm/sek (ft/sec) Korrosionsbeständigkeit Dei erhöhter
Temperatur

93 C bzw.

2oo°F)

Erwartete Toleranz bei den Bearbeitungsschritten

schlecht

61 ( 2>^(a 15? ( 3^(a 6i-l52(2 - 5) (geschätzt) schlecht
schlecht
schlecht

schlecht

gut

a) Reines weiches Wasser bei Raumtemperatur, ungefähre Werte.

-yr-

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	Tabelle 3	IN718
	Nennzusammensetzungen in %	o,o4
	A286	o,18
C	o,o5	o,18
Mn	1,4o	19,ο
Si	o,4o	52,5
Cr	15,ο	—
Ni	26,ο	3,o5
Co	—	5,13^(b
Mo	1,25	o,9o
Cb	—	o,5o
Ti	2,15	—
Al	o,2o	18,5
B	ο ,OO 3	_—
Fe	Rest
andere	o,3V

U5oo o,o8 o,75 o,75

Rest

2,9 2,9 o,oo5 4,c<^a

a) Maximum.

b) Ta enthalten.

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Material

(a

OIN718 co

oo bearbeitbarkeit cn

Tabelle 4
Laufschaufelhoim (Kern) Materialien

Warme au s dehnung RT-37O C (7oo°F)

(b

Lötbarkeit

Raumtemperatur

o,2 %

Streckgrenze

Schweißbarkeit

Gießbarkeit/
Schmiedbarkeit

in	η/	O_C-1	X	Ί O	1	ο kp/cm bzw.	,o85 (115)	(ksi)	(125)	gut/gut
(i	89		F χ	1o"⁶)	gegossen	,484 ( 78)		(118)	schlecht/gut
3,	33	(7,	ο)		8	,648 (123)	geschmiedet	(162)	gut/gut
5,	5	(9,	6)		5	8,788
4,	(8,	D		8	8,296
	11 ,39

Erwartete^l
Bearbeitungstoleranz

annehmbar annehmbar annehmbar

schlecht schlecht annehitibar

schlecht

gut

-V^ 2754898

Erläuterungen zur Tabelle 4

a) Alle Materialien handelsüblich.

b) OFHC Kupfer: 5,44 (9,8) - RT 355°C bzw. 672°F; IN617: 4,17 (7,5) - RT 37o°C bzw. 7oo°F.

c) Schmiedetyp 3o4SS: 35 bis 45 ksi bzw. 2,461 bis 3,164 χ 1o³

2
kp/cm ; die obigen Eigenschaften gelten für das vollständig

wärmebehandelte Material.

d) Hängt wesentlich von dem Schmelzpunkt von Kupfer und der Kühlgeschwindigkeit bezüglich der Autoklaven-Behandlungstemperatur ab. Es können keine vollständig wärmebehandelten Eigenschaften realisiert werden.

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Claims

Ansprüche

λ j Flüssigkeitsgekühlte Gasturbinenschaufel, gekennzeichnet durch einen Flügel (14), durch ausreichend nahe an diesem angeordnete wärmeleitende Kühlrohre (2o) zum Kühlen des Flügels {14} bei einem Durchströmen von Kühlflüssigkeit durch die Rohre (2o), die im wesentlichen korrosionsbeständig gegenüber der Kühlflüssigkeit sind, und durch eine den Flügel (143 sowie die Kühlrohre (2o) abdeckende Haut (22) zura Schützen der freiliegenden Oberflächen vor einer Hochtapoperaturkorrosion während des Betriebes der Turbine.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit Wasser ist.
3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (2o) während des Kühlens vollständig mit strömendem Wasser gefüllt sind.
4. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (2o) über ihre gesamte Länge mit strömendem Wasser teilweise gefüllt sind.
5. Wassergekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (14) in seiner Oberfläche ausgebildete radiale Nuten (18) hat, die sich über die Länge des Flügels (14) erstrecken, daß wärmeleitende Kühlrohre (2o) in die Nuten (18) eingesetzt und hiermit verbunden sind, wobei die Rohre im wesentlichen korrosionsbeständig gegenüber der Kühl-

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flüssigkeit unter den Betriebsbedingungen der Turbine sind, und daß sich eine schützende Haut (22) in wärmeleitender Beziehung mit zumindest einem Teil der Kühlrohre (2o) befindet, wobei die Haut (22) mit der äußeren Oberfläche des Körpers verbunden ist, um für eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit zu sorgen.
6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Haut (22) eine zusammengesetzte Schicht ist, die aus einer inneren Haut (23) in Kontakt mit den Kühlrohren (2o) zum Bilden einer großen Wärmeleitfähigkeit und einer äußeren Haut

(24) zum Bilden einer Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit besteht.
7. Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (14) aus einer Legierung gegossen ist, die aus der Gruppe Legierungen auf Nickelbasis, Legierungen auf Kobaltbasis und Chrom-Nickel-Eisen-Legierungen ausgewählt ist, daß das Rohr (2o) aus Chrom-Nickel-Eisen-Legierung geformt ist, daß die innere Haut (23) ein aus der Gruppe Kupfer und oxiddispersionsverstärktem Kupfer (oxide dispersion strengthened copper) ausgewähltes Glied ist und daß die äußere Haut (24) ein aus der Gruppe FeCrAlY und einer Legierung ausgewähltes Glied ist, die im wesentlichen aus 5o - 8o Gewichtsprozent Nickel und 2o - 5o Gewichtsprozent Chrom besteht.
8. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (14) aus Chrom-Nickel-Eisen-Legierung gegossen ist, daß die innere Haut (23) Kupfer ist und daß die äußere Haut (24) Ni-5oCr ist.
9. Wassergekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Flügelkern (16) mit einer glatten Oberfläche, durch eine wärmeleitende Schicht (23A), die sich in Wärmeaustauschkontakt mit der Oberfläche befindet, durch eine Vielzahl von Kühlrohren (2o), die in die wärmeleitende Schicht (23A) eingebettet sind sowie einen gegenseitigen Abstand voneinander haben, und durch eine schützende Haut (24) , die die wärmeleitende Schicht (23A) abdeckt, um sie vor einer Hochtemperatudcorrosion zu schützen.

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10. Schaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (14) aus einem Material gegossen ist, das aus der Gruppe einer Legierung auf Nickelbasis, einer Legierung auf Kobaltbasis und einer Chrom-Nickel-Eisen-Legierung ausgewählt ist, daß das Rohr (2o) aus Chrom-Nickel-Eisen-Legierung geformt ist, daß die wärmeleitende Schicht (23A) aus der Gruppe Kupfer und oxiddispersionsver verstärkteskupfer ausgewählt ist, und daß die äußere Haut (24) aus einem Material besteht, welches aus der Gruppe FeCrAlY und einer Legierung ausgewählt ist, welche im wesentlichen aus 5o - 8o Gewichtsprozent Nickel und 2o - 5o Gewichtsprozent Chrom besteht.
11. Schaufel nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (14) aus Chrom-Nickel-Eisen-Legierung gegossen ist, daß die wärmeleitende Schicht (23A) Kupfer ist und daß die äußere Haut (24) Ni-5oCr ist.

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