DE2841827C1 - Metallischer Gegenstand mit Wärmeisolierüberzug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen metallischen Gegenstand in Form eines Wärmerohres, insbesondere für Gasturbinenbauteile. Ein "Wärmerohr" ist eine Wärmeübertragungseinrichtung, die aus einem geschossenen metallischen Behälter besteht, der einen kondensierbaren Dampf, insbesondere einen Metalldampf, und eine Kapillarvorrichtung enthält, die in der Lage ist, den Transport des kondensierten Dampfes von einem kühleren Bereich nach einem heißeren Bereich zu bewirken, während der kondensierbare Dampf von dem heißeren Bereich nach dem kühleren Bereich durch den Dampfdruckgradienten zwischen den beiden Bereichen überführt wird, so daß der Dampf in dem kühleren Bereich wieder kondensiert wird.

Als verdampfbare Flüssigkeiten finden z. B. Wasser und Ammoniak aber auch Quecksilber, Zäsium, Kalium, Natrium, Lithium und Blei Verwendung, bei denen eine Temperaturänderung von nur ein oder zwei °C eine sehr große Änderung in dem Dampfdruck nach sich zieht. Infolgedessen sind die Temperatur­ unterschiede, die über der Länge eines Wärmerohres auftreten, so klein, daß das Wärmerohr im wesentlichen isotherm wird. Diese Tatsache wird in der Technik vielfach ausgenutzt, um die Wärme von thermisch hoch beanspruchten Stellen abzuführen. Beispiele derartiger Anwendungen für Gasturbinen finden sich in der DE-OS 15 01 526 und der AT-PS 194 659. Hierbei sind im Inneren der Laufschaufeln in Längsrichtung verlaufende Wärme­ rohre vorgesehen, die die Temperatur der metallischen Lauf­ schaufel auch auf der Oberfläche im wesentlichen konstant halten sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, derartige, hohen Temperaturen ausgesetzte Bauteile, insbesondere Gas­ turbinenschaufeln mit einem wirksamen thermischen Schutz zu versehen, der die Anwendung noch höherer Temperaturen ermöglicht.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Ein solcher Keramiküberzug ergibt einen besonders günstigen thermischen Schutz, da die thermische Leitfähigkeit fünfzig bis hundertmal kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit des Metallgegenstandes. Außerdem ergibt der Keramiküberzug einen wirksamen Schutz gegen Erosion. Dadurch, daß im Inneren des metallischen Gegenstandes nach der Erfindung ein Wärmerohr vorgesehen ist, wird erreicht, daß der thermische Gradient über dem Gegenstand, insbesondere über der Schaufel klein bleibt, so daß ein Bruch der empfindlichen Keramiküberzugsschicht vermieden wird. Die hohen Unterschiede der thermischen Ausdehnung zwischen Metall und Keramikmaterial haben die Verwendung einer Keramiküberzugs­ schicht für solche Metallgegenstände bisher ausgeschlossen, die im Betrieb einem hohen thermischen Gradienten ausgesetzt waren. Durch die Erfindung wird erreicht, daß auch solche Gegenstände, beispielsweise Turbinenschaufeln, mit einer Keramikschutzschicht überzogen werden können, die im Betrieb einer sehr unterschiedlichen Temperaturbeaufschlagung unterworfen sind.

Die Wärmeisolationsschicht besteht zweckmäßigerweise aus drei Schichten, nämlich einer ersten, auf dem Metallgegenstand abgelagerten Schicht, einer zweiten Schicht, die eine Mischung von Metall und Keramikmaterial enthält und einer dritten Schicht, die lediglich aus Keramikmaterial besteht. Die erste Schicht ist dabei zweckmäßigerweise eine Nickel­ legierung.

Die zweite Schicht kann eine Mischung aus einer Nickellegierung und Magnesiumoxyd und Zirkonoxyd sein.

Die dritte Schicht kann eine Mischung von Magnesiumoxyd und Zirkonoxyd sein.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks, welches mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten stromlinien­ förmigen Schaufel ausgerüstet ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Schaufel,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2,

Fig. 4 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht der Wandung der Schaufel nach Fig. 3.

Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 weist einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12 und eine Turbine 13 auf. Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in herkömmlicher Weise. Die vom Kompressor 11 verdichtete Luft wird mit Brenn­ stoff vermischt und in der Verbrennungseinrichtung 12 verbrannt. Die sich hieraus ergebenden heißen Gase expandieren durch die Turbine 13 nach der Atmosphäre und treiben dadurch die Turbine 13 an, die ihrerseits den Kompressor 11 treibt.

Die aus der Verbrennungseinrichtung 12 austretenden heißen Gase werden in den Hochdruckteil 14 der Turbine 13 über eine ring­ förmige Anordnung stationärer Düsenleitschaufeln geleitet, die aus einer Nickellegierung bestehen. Eine dieser Schaufeln 15 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die Düsenleitschaufel 15 weist radial innere und äußere Schaufelplattformen 16 und 17 auf (radial innen bzw. außen bezüglich der Längsachse des Trieb­ werks 10). Zwischen den beiden Plattformen liegt der stromlinienförmige Arbeitsabschnitt 18. An der radial inneren Plattform 16 sind zwei Ansätze 19, 20 vorgesehen, über die die Düsenleitschaufel 15 innerhalb der Turbine 13 verankert wird.

Der stromlinienförmige Arbeitsabschnitt 18 der Düsenleitschaufel 15 ist hohl, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Die gesamte Innenwand­ fläche 21 des stromlinienförmigen Schaufelteils 18 ist mit einer Auskleidung bestehend aus einem Gewebe 22 aus rostfreiem Stahl versehen, das durch Punktschweißung an der Innenwand­ fläche angeschweißt ist. Der hohle Innenraum 23 steht unter Vakuum und enthält eine geringe Menge Natrium. Infolgedessen hat der stromlinienförmige Abschnitt 18 die Ausgestaltung eines Wärmerohres.

Die Außenwandfläche 23′ des stromlinienförmigen Arbeitsab­ schnitts 18 ist mit einem Hitzeisolierüberzug 24 versehen, der ein Keramikmaterial enthält. Der Hitzeisolierüberzug 24, der deutlicher aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird von drei getrennt aufgebrachten Materialschichten gebildet. Die erste innere Schicht 25 ist 0,076 mm bis 0,127 mm dick und be­ steht aus einer Legierung, die wenigstens 69,5 Gew.-% Nickel, 15,5 bis 21,5 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 7,5 Gew.-% Aluminium und Restspuren von Magnesium, Kohlenstoff, Silizium und Eisen enthält. Die zweite Schicht 26 ist ebenfalls 0,076 mm bis 0,127 mm dick und besteht aus einer Mischung aus 50 Gew.-% der Legierung der ersten Schicht 25, während der Rest gebildet wird von einer Mischung, die 18 bis 25 Gew.-% Magnesiumoxyd und 75 bis 82 Gew.-% Zirkonoxyd. Die äußere Schicht 27 ist 0,152 mm bis 0,203 mm dick und enthält 18 bis 25 Gew.-% Magnesiumoxyd, während der Rest Zirkonoxyd ist.

Anstelle von Magnesiumoxyd könnten auch andere Keramikmaterialien Anwendung finden. So könnte beispielsweise Zirkonoxyd benutzt werden, das durch Ytteroxyd stabilisiert ist.

Die erste innenliegende Schicht 25 soll eine Adhäsion zwischen dem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 18 und der zweiten Schicht 26 hervorrufen, während die zweite Schicht 26 eine Adhäsion zwischen der ersten inneren Schicht 25 und der äußeren Schicht 27 bewirkt. Alle drei Schichten 25 bis 27 werden durch Plasmaspritzen aufgebracht.

Im Betrieb treffen heiße, aus der Verbrennungseinrichtung 12 austretende Gase auf den Leitschaufelkranz derart auf, daß der stromlinienförmige Arbeitsabschnitt 18 jeder Leitschaufel 15 Flächen unterschiedlicher Temperatur aufweist. Die Aufheizung des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts 18 führt zu einem Schmelzen und einer anschließenden Verdampfung des im Schaufel­ hohlraum 23 enthaltenen Natriums. Das in den heißeren Bereichen des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts 18 verdampfte Natrium wird durch Dampfdruckdifferenzen nach den kühleren Bereichen hin übertragen, wo der Dampf kondensiert. Auf diese Weise wird die zur Verdampfung des Natriums erforderliche Wärme­ menge aus jenen heißeren Bereichen abgezogen und zur Aufheizung der kühleren Abschnitte bei der Kondensation in jenen kühleren Bereichen des Natriumdampfes herangezogen. Nach der Kondensation wird das flüssige Natrium durch Kapillarwirkung durch das aus rostfreiem Stahl bestehende Gewebe 22 nach den heißeren Bereichen zurückgepumpt, worauf sich der Zyklus wiederholt. Durch konstante Verdampfung und Kondensation des Natriums nimmt der stromlinienförmige Arbeitsabschnitt 18 eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung an, d. h. der Schaufelabschnitt wir im wesentlichen isotherm. Weil sich die Außenwandfläche 23′ des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts 18 auf diese Weise im wesentlichen gleichförmig ausdehnt und zusammenzieht, werden infolgedessen die mechanischen Beanspruchungen des Wärmeisolier­ überzugs 24 vermindert.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit der Düsenleit­ schaufel eines Gasturbinentriebwerks beschrieben. Es ist jedoch klar, daß sie auch für andere Gasturbinentriebwerksbauteile Anwendung finden kann und auch für irgendwelche anderen metalli­ schen Gegenstände, die mit einem Keramiküberzug isoliert werden und einer thermischen Beanspruchung ausgesetzt sind.

Außerdem ist die Erfindung für alle Formen metallischer Wärme­ rohre anwendbar, d. h. für Wärmerohre, die andere kondensierbare Dämpfe als Natrium enthalten und die z. B. Lithium oder Kalium enthalten und Kapillareinrichtungen aufweisen, die nicht aus Geweben von rostfreiem Stahl bestehen, sondern z. B. aus porösem Metall, porösem Keramikmaterial oder gesintertem Glas.

Claims (11)

1. Metallischer Gegenstand in Form eines Wärmerohres, insbe­ sondere für Gasturbinenbauteile, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Gegenstand mit einem Wärmeisolierüber­ zug versehen ist, welcher Keramikmaterial enthält.

2. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmeisolierüberzug aus drei Schichten besteht, nämlich einer ersten metallischen Schicht, die auf dem metallischen Gegenstand abgelagert ist, einer zweiten Schicht, welche eine zweite Mischung aus Metall und Keramik­ material enthält und einer dritten Keramikschicht.

3. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste metallische Schicht aus einer Nickellegierung besteht.

4. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nickellegierung wenigstens 69,5 Gew.-% Nickel, 15,5 bis 21,5 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 7,5 Gew.-% Aluminium und Spurenmengen von Magnesium, Kohlenstoff, Silizium und Eisen enthält.

5. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Schicht aus einer Mischung der Nickellegierung, von Magnesiumoxyd und Zirkonoxyd be­ steht.

6. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Schicht aus einer Mischung besteht, die 35 Gew.-% der Nickellegierung, 18-25 Gew.-% Magnesium­ oxyd und 75 bis 82 Gew.-% Zirkonoxyd enthält.

7. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nickellegierung wenigstens 69,5 Gew.-% Nickel, 1,5 bis 21,5 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 7,5 Gew.-% Aluminium und Spurenmengen von Magnesium, Kohlenstoff, Silizium und Eisen enthält.

8. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dritte Keramikschicht aus einer Mischung von Magnesiumoxyd und Zirkonoxyd besteht.

9. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mischung 18 bis 25 Gew.-% Magnesiumoxyd und als Rest Zirkonoxyd enthält.

10. Metallischer Gegenstand nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht 0,076 mm bis 0,127 mm dick ist, daß die zweite Metallschicht 0,076 mm bis 0,127 mm dick ist und daß die dritte Schicht 0,152 bis 0,203 mm dick ist.

11. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Keramikmaterial Zirkonoxyd ist, welches mit Ytteroxyd stabilisiert ist.