DE60021058T2

DE60021058T2 - Methode um die Dicke der Seitenwand von Turbinenleitapparatsegmenten anzupassen um die Kühlung zu verbessern

Info

Publication number: DE60021058T2
Application number: DE60021058T
Authority: DE
Inventors: Steven Sebastian Schenectady Burdgick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: EP1146201A3; ATE298838T1; KR100568842B1; US6418618B1; JP4713728B2; EP1146201A2; CZ20003921A3; DE60021058D1; KR20010096523A; JP2001295605A; EP1146201B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Prallkühlung einer Seitenwand eines Gasturbinendüsenbandes bei einer Ausgestaltung, wobei die Schweißverbindung zwischen der Düsensegmentabdeckung und der Düsenseitenwand von der Düsenwand entfernt ist, die dem heißen Gaspfad ausgesetzt ist, und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Steuern der Seitenwanddicke des Düsenbandes, um dessen Kühlung zu ermöglichen. Das Dokument US-A-4 384 822 offenbart das Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf einer Schaufelsuspension.
Bei aktuellen Gasturbinen-Ausgestaltungen sind Düsensegmente typischerweise in einem ringförmigen Array um die Rotationsachse der Turbine angeordnet. Das Array von Segmenten bildet äußere und innere ringförmige Bänder, und eine Mehrzahl von Flügeln bzw. Schaufeln erstrecken sich zwischen den Bändern. Die Bänder und Schaufeln legen teilweise den heißen Gaspfad durch die Gasturbine fest. Jedes Düsensegment umfasst einen äußeren Bandabschnitt und einen inneren Bandabschnitt und ein oder mehrere Düsenschaufeln, die sich zwischen den äußeren und inneren Bandabschnitten erstrecken. Bei aktuellen Gasturbinen-Ausgestaltungen wird ein Kühlmittel, beispielsweise Dampf, an jedes Düsensegment geliefert. Um die Dampfkühlung aufzunehmen, umfasst jeder Bandabschnitt eine Düsenwand, die teilweise den heißen Gaspfad durch die Turbine festlegt, eine Abdeckung, die radial von der Düsenwand beabstandet ist, die eine Kammer damit bildet, und eine in der Kammer angeordnete Prallplatte. Die Prallplatte definiert mit der Abdeckung einen ersten Hohlraum an einer Seite davon zum Aufnehmen von Kühldampf von einem Kühldampfeinlass. Die Prallplatte definiert ebenfalls entlang einer gegenüberliegenden Seite davon und mit der Düsenwand einen zweiten Hohlraum. Die Prallplatte weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, damit der Kühldampf von dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum zur Prallkühlung der Düsenwand strömt. Der Kühldampf strömt dann radial nach innen durch Hohlräume in dem/den Schaufel(n), wobei bestimmte von diesen Einsätzen Öffnungen zur Prallkühlung der Seitenwände der Schaufel aufweisen. Der Kühldampf tritt dann in eine Kammer in dem inneren Bandabschnitt ein und kehrt seine Strömungsrichtung um, um radial nach außen durch eine Prallplatte zum Prallkühlung der Düsenwand des inneren Bands zu strömen. Das verbrauchte Kühlmittel strömt durch einen Hohlraum in der Schaufel zu einem Auslasskanal des Düsensegments zurück.
Die an jedem äußeren und inneren Bandabschnitt bereitgestellte Abdeckung ist vorzugsweise an der entsprechenden Düsenseitenwand geschweißt. Bei vorbekannten Ausgestaltungen wurde die Schweißverbindung zwischen der Abdeckung und der Düsenseitenwand an einer radialen Stelle zwischen der Düsenwand und der Keildichtung zwischen den Seitenwänden benachbarter Düsensegmente angeordnet. An dieser Stelle wurde die Schweißung den Hochtemperaturgasen in dem heißen Gasströmungspfad ausgesetzt und war sehr schwierig zu kühlen. Somit wurde die Ermüdungslebensdauer der Schweißverbindung aufgrund ihrer Nähe zu dem heißen Gaspfad erheblich verringert. Außerdem war die Stelle der Schweißung für die Herstellungswiederholbarkeit nicht optimal und sehr empfindlich gegen Herstellungstoleranzen. Die Schweißverbindung wurde durch variable Wanddicken gekennzeichnet, die die Spannung an der Verbindung erhöhten, die niedrige Kreislaufermüdung verringerten und die Lebensdauer der Teile begrenzten. Die Wanddicke an der Schweißung nach der maschinellen Bearbeitung ist ebenfalls eine Variable, die bei dem Herstellungsprozess nicht toleriert werden konnte.
Bei einer aktuellen Düsensegment-Ausgestaltung ist die Schweißverbindung zwischen der Abdeckung und der Düsenseitenwand an der Seite der Keildichtung fern von der dem heißen Gaspfad ausgesetzten Düsenwand. D.h., die Schweißverbindung zwischen der Abdeckung und der Düsenseitenwand des äußeren Bandes ist radial nach außen von der Keildichtung zwischen benachbarten äußeren Bändern angeordnet, wohingegen die Schweißverbindung zwischen der Abdeckung und der Düsenseitenwand des inneren Bandes radial nach innen von der Keildichtung zwischen benachbarten inneren Bändern angeordnet ist. Dies verringert die Temperatur der Schweißverbindungen während des Turbinenbetriebs, verringert sowohl thermische als auch mechanische Spannungen über die Verbindungen, beseitigt jede Anforderung zur maschinellen Bearbeitung nach dem Schweißen und führt zu Verbindungen konstanter Dicke und höherer Ermüdungslebensdauer. Die Anordnung führt ebenfalls zu verbesserter maschineller Bearbeitung und Toleranz gegen Schweißdefekte.
Um diese Schweißstelle bereitzustellen, werden unterschnittene Regionen benachbart den Seitenwänden der Düsensegmentbänder ausgebildet. Insbesondere umfasst jede unterschnittene Region eine Seitenwand oder Rand des Düsensegments und einen nach innen gedrehten Flansch, der sich nach innen von und im Allgemeinen parallel zu der Düsenwand erstreckt und von der Düsenwand beabstandet ist. Die Kühlung der Seitenwand oder des Randes des Düsenbandes ist jedoch hinsichtlich der unterschnittenen Region ziemlich schwierig, die die Seitenwand oder den Rand einen beträchtlichen Abstand von der Prallplatte beabstandet, was seinerseits die Wirksamkeit der Prallkühlung der Segmentseitenwand verringert.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Fertigung und Kühlung der Seitenwand bereitgestellt. Insbesondere wird mit der Schweißverbindung zwischen der Abdeckung und der Düsenseitenwand, die fern von dem heißen Gaspfad durch die Turbine angeordnet sind, die Kühlung der Seitenwand durch Steuern der Dicke der Seitenwand auf eine sehr enge Toleranz ermöglicht. Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, sind die Seitenwände jedes Düsensegments aufgrund der großen Prall-Lücke in der unterschnittenen Region sehr schwierig zu kühlen, d.h. dem wesentliche Abstand zwischen den Öffnungen der Prallplatte am nächsten zu der Seitenwand und der Seitenwand an sich. Die Seitenwand ist gegen Herstellungsprozesse ebenfalls nicht widerstandsfähig. Diese Ausgestaltung hängt sehr von dem Gussprozess für das Düsensegment und der Schweißung oder anderen Verzerrungen ab, die während der Verarbeitung des Segments auftreten können. Wenn die Seitenwand zu dick ist, führt dies zu einer niedrigen Kreislaufermüdung aufgrund der erhöhten thermischen Belastungen an dem Segment. Erhöhte Spannungen würden ebenfalls in diesen Bereich oder andere Bereiche des Düsensegments eingeführt werden. Die Seitenwanddicken-Veränderlichkeit ist ebenfalls ein Problem, da maschinelle Bearbeitungsvorgänge nach dem Gießen die Wand zu dick oder zu dünn lassen oder sogar einen Teil der Wand entfernen können. Wenn die Wand zu dick wird, ist eine Nachbearbeitung des Segments typischerweise nicht erlaubt, und das Segment würde eine sehr verringerte Lebensdauer der Teile aufweisen. Die Wanddicke könnte ebenfalls so dick sein, dass das Teil nicht verwendet werden könnte. Eine dünne Wand würde auf ähnliche Weise wie eine dicke Wand bewirken, dass Spannungen entweder an der Seitenwandposition oder in anderen Bereichen des Segments ansteigen. Als Konsequenz wurde bestimmt, dass die Seitenwanddicke innerhalb sehr engen Toleranzen gehalten werden muss, um eine passende Kühlung innerhalb der Auslegungsparameter aufrechtzuerhalten.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung wird die Seitenwanddicke des Düsensegments gesteuert, indem vorzugsweise eine Stufe in jeder Seitenwand der Düse entlang deren äußeren Oberfläche vor dem Schweißen der Abdeckung an das Düsensegment maschinell vorbearbeitet wird. Die Stufe in der Seitenwand basiert auf der inneren Oberflächenposition der Seitenwand, d.h., dass der Bezugspunkt für die maschinelle Bearbeitung die interne Wandoberfläche ist. Eine Wärmedämmschicht (TBC = Thermal Barrier Coating) wird in einer relativ dicken Schicht in der Stufe aufgebracht, indem über die vorbearbeiteten Oberflächen hinaus maskiert wird. Nach dem Schweißen der Abdeckungen an die Düsensegmente wird die Seitenwand fertig bearbeitet, d.h. die Wärmedämmschicht wird maschinell bearbeitet und dient als ein Puffer für und eine Aufnahme von Herstellungstoleranzen, um eine vorbestimmte Seitenwanddicke nach der Fertigbearbeitung zu bieten. Somit bietet, wenn die gegossene Seitenwand des Düsensegments außerhalb der Toleranz und nach der maschinellen Bearbeitung der TBC dick ist, die TBC zusätzlichen Schutz an der Seitenwand, da sie den Wärmegradienten durch das Metall verringert. Wenn die TBC nach der Fertigbearbeitung entlang der maschinell vorbearbeiteten Stufe relativ sehr dünn ist oder nicht existiert, aufgrund der Bildung der Seitenwand außerhalb der Toleranz, ist dies ebenfalls wegen der Reinigung des Hohlraums, d.h. der Prallkühlung und der Tatsache, dass die Wand von bekannter Dicke ist, annehmbar. Somit stellt der Herstellungsprozess die Wärmedämmschicht als ein Mittel bereit, um Herstellungstoleranzen zu absorbieren oder unterzubringen, um eine sehr gesteuerte Wanddicke bereitzustellen, die die niedrige Zyklusermüdung des Segments verbessern und jede Notwendigkeit verringern wird, das Segment deswegen zu verwerfen, dass das Teil außerhalb Toleranzen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Düsensegmenten bereitgestellt, die Düsenbänder und Schaufeln aufweisen, die sich dazwischen erstrecken, wobei die Düsenbänder Seitenwände benachbart einander aufweisen, wenn die Düsensegmente zur Verwendung bei einer Gasturbine zusammengebaut werden, das die Schritte eines Aufbringens einer Wärmedämmschicht auf mindestens einer Seitenwand jedes Düsenbands und der maschinellen Bearbeitung einer Seitenwand mit der Wärmedämmschicht umfasst, die als ein Puffer dient, um Herstellungstoleranzen in dem Segment aufzunehmen, wodurch die Seitenwanddicke des Düsensegments gesteuert wird.
Die Erfindung wird nun ausführlicher beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine explodierte perspektivische und schematische Ansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Düsensegments; und
2 eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht, die eine Verbindung zwischen Seitenwänden benachbarter Düsensegmente darstellt, die die Anordnung der Wärmedämmschicht entlang der Seitenwände von angrenzenden Düsensegmenten veranschaulicht.
Mit Bezug nun auf 1 wird ein allgemein mit 10 gekennzeichnetes Düsensegment dargestellt, das ein Teil eines ringförmigen Arrays von Segmenten bildet, die um eine Gasturbinenachse angeordnet sind. Jedes Düsensegment umfasst ein äußeres Band 12, ein inneres Band 14 und eine oder mehrere Schaufeln 16, die sich dazwischen erstrecken. Wenn die Düsensegmente in dem ringförmigen Array angeordnet sind, legen die äußeren und inneren Bänder 12 und 14 und Schaufeln 16 teilweise einen ringförmigen heißen Gaspfad durch die Gasturbine fest, wie es herkömmlich ist.
Die äußeren und inneren Bänder und die Schaufeln werden gekühlt, indem ein Kühlmittel, z.B. Dampf, durch eine Kammer des äußeren Bandes 12, radial nach innen durch Hohlräume in den Schaufeln, durch eine Kammer in dem inneren Band 14 und radial nach außen durch die Schaufeln, um das Kühlmittel zu einem Auslasskanal entlang des äußeren Bandes zurückzugeben, geströmt wird. Insbesondere und beispielhaft mit Bezug auf 1 umfasst das äußere Band 12 eine äußere Düsenwand 18, eine äußere Abdeckung 20, die über die äußere Wand 18 angeordnet und an dieser geschweißt ist, um eine Kammer 21 (2) dazwischen zu definieren, und eine in der Kammer 21 angeordnete Prallplatte 22. Die Prallplatte 22 definiert mit der Düsensegmentabdeckung 20 einen ersten Hohlraum 24, und an einer gegenüberliegenden Seite davon mit der Düsenwand 18 einen zweiten Hohlraum 26. Einlass- und Auslasskanäle für das Kühlmittel 25 und 27 werden jeweils durch die Abdeckung bereitgestellt, um das Kühlmittel, z.B. Dampf, an das Düsenschaufelsegment zu liefern und den verbrauchten Kühldampf von dem Segment abzuführen. Der Kühldampf wird an den ersten Hohlraum 24 zum Durchgang durch eine Mehrzahl von Öffnungen 30 in der Prallplatte 22 zur Prallkühlung der Düsenwand 18 geliefert. Der Prallkühldampf strömt von dem zweiten Hohlraum 26 in eine oder mehrere Einsätze (nicht gezeigt) in Hohlräume, die sich durch die Schaufel zwischen den äußeren und inneren Bändern erstrecken. Die Schaufeleinsätze umfassen eine Mehrzahl von Öffnungen zur Prallkühlung der Seitenwände der Schaufel. Der Kühldampf strömt dann in die Kammer des inneren Bandes 14 und insbesondere in die radial innerste Kammer, um durch Öffnungen einer Prallplatte in dem inneren Band zur Prallkühlung der Seitenwand des inneren Bandes zu strömen. Der verbrauchte Kühldampf strömt dann durch einen Hohlraum in der Schaufel und durch den Auslasskanal des äußeren Bandes. Für eine vollständige Beschreibung einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Kühlkreislaufs wird Bezug auf das US-Patent Nr. 5 634 766 des gemeinsamen Anmelders genommen, deren Offenbarung hier durch Bezug aufgenommen ist.
Mit Bezug nun auf 2 wird eine Verbindungsstelle zwischen benachbarten Düsensegmenten dargestellt. Es ist ersichtlich, dass, obwohl die folgende Beschreibung mit Bezug auf das äußere Band 12 spezifisch ist, sie gleichfalls auf das innere Band 14 anwendbar ist. Somit umfasst jedes Düsenband (sowohl innere als auch äußere Bänder) eine Düsenseitenwand bzw. Rand 40, die sich im Allgemeinen radial zwischen der Düsenwand 18 und der Abdeckung 20 erstreckt. Das Band umfasst ebenfalls einen nach innen gedrehten Flansch 42, der von der Düsenwand 18 beabstandet ist und mit der Wand 18 und Seitenwand oder Rand 40 eine unterschnittene Region 44 festlegt. Der nach innen gedrehte Flansch 42 umfasst ebenfalls einen nach umfangsmäßig offenen Schlitz 46 zum Aufnehmen eines Rands eines Keils 48, der eine Dichtung zwischen benachbarten Düsensegmenten bildet.
Wie in 2 veranschaulicht ist, werden die Abdeckungen 20 an den nach innen gedrehten Flanschen 42 entlang gegenüberliegender Ränder des Düsenbandes geschweißt. Die Schweißverbindung 50 liegt ebenfalls an der Seite der Keildichtung 48 fern von der Düsenwand 18. Durch Anordnen der Schweißverbindung 50 fern von dem teilweise durch die Düsenwand 18 festgelegten heißen Gaspfad, wird die Schweißverbindung 50 einer viel niedrigeren Temperatur un terworfen, als wenn sie näher an dem heißen Gaspfad angeordnet ist. In 2 ist ebenfalls die Prallplatte 22 veranschaulicht, die einen gedrehten Rand 52 entlang gegenüberliegender Ränder zum Hartlöten oder Schweißen an eine innere Oberfläche des nach innen gedrehten Flansches 42 aufweist. Obwohl die Öffnungen 30 in jedem gedrehten Rand 52 der Prallplatte angeordnet sind, ist ersichtlich, dass es einen beträchtlichen Abstand zwischen der nächsten Öffnung 30 und der Seitenwand oder dem Rand 40 in der unterschnittenen Region 44 gibt. Dieser große Abstand vermindert die Wirksamkeit der Prallkühlung. Prallkühlungsöffnungen 54 sind durch den nach innen gedrehten Flansch 42 ausgebildet, um Kühldampf in der unterschnittenen Region 44 für direkte Prallkühlung der Seitenwand 40 bereitzustellen.
Wie zuvor angemerkt, wird die Dicke der Seitenwand 40 am bevorzugtesten auf enge Toleranzen gesteuert. Die Seitenwanddicke ist jedoch sehr empfindlich gegen Herstellungstoleranzen, d.h. einer Gusstoleranz, sowie auch Schweißund Bearbeitungsverzerrungen. Durch Aufbringen einer Wärmedämmschicht als ein Puffer für die Herstellungstoleranz, kann, nachdem die Abdeckungen 20 an dem Düsengussteil geschweißt sind, kann eine bekannte Metallwanddicke bei der Fertigbearbeitung bereitgestellt werden. Um die Dicke der Seitenwand 40 zu steuern, wird vorzugsweise eine Stufe 60 in der Seitenwand basierend auf der Innenstellung der Wand maschinell vorbearbeitet. D.h., die innere Oberfläche der Seitenwand 40 dient als der Bezugspunkt für die maschinelle Bearbeitung. Die Stufe wird vorzugsweise an den Seitenwänden bereitgestellt, nachdem die Düsenabdeckungen 20 auf das Hauptdüsengussteil des Segments geschweißt sind, sodass die durch das Schweißen verursachten Verzerrungen in die Verbindung eingebaut werden. Nach der maschinellen Vorbearbeitung wird die Seitenwand über die maschinell vorbearbeiteten Oberflächen hinaus maskiert und mit der Wärmedämmschicht 64 beschichtet. Wie dargestellt, wird die Beschichtung ebenfalls auf die Wandoberflächen der Düsenwand 18 aufgebracht, die mit den entlang des heißen Gaspfades strömenden heißen Gasen in Kontakt sind. Die Seitenwände 40 der Düsensegmente werden dann mit einem Verfahren, das mit der maschinellen Bearbeitung von Wärmedämmschichten und Metall kompatibel ist, beispielsweise einem Tiefschleifvorgang, fertig bearbeitet. Der letzte Bearbeitungsschritt kann die Wanddicke der Seitenwand auf eine sehr enge Toleranz steuern, die nicht durch Schweiß- oder Gusstoleranzen beeinflusst wird. Der Prozess bietet einen Puffer, d.h. eine Aufnahme, die die Empfindlichkeit gegen Herstellungstoleranzen verringert. Wenn die Seitenwand beispielsweise außerhalb der Toleranz und die Wärmedämmschicht dick ist, wird die Beschichtung auf eine kombinierte Dicke für die Seitenwand plus Beschichtung fertig bearbeitet, die Kühlanforderungen erfüllen wird, d.h. die Prallkühlung ist ausreichend, um die Seitenwand in gewünschten Temperaturbereichen zu halten, während die verbleibende TBC zusätzlichen Wärmeschutz bietet. Wenn der letzte Bearbeitungsschritt zu einer geringen oder keinen Wärmedämmschicht entlang der Seitenwand führt, wird die Wärmedämmschicht nicht benötigt. Die Prallkühlung der Seitenwand ist wirksam, weil die Seitenwand innerhalb der gewünschten Dicke mit engen Toleranzen ist. Somit wird die Seitenwand ordnungsgemäß gekühlt. Die Kapazität, Herstellungstoleranzen mit der Wärmedämmschicht als ein Puffer zu absorbieren oder aufzunehmen, verbessert die niedrige Zyklusermüdung des Düsensegments.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Düsensegmenten (10) mit Düsenbändern (12, 14) und Flügeln (16), die sich dazwischen erstrecken, wobei die Düsenbänder Seitenwände (40) benachbart einander aufweisen, wenn die Düsensegmente zur Verwendung bei einer Gasturbine zusammengebaut werden, mit folgenden Schritten: Aufbringen einer Wärmebarrierebeschichtung (64) auf mindestens einer Seitenwand jedes Düsenbands; und maschinelles Bearbeiten der einen Seitenwand mit der Wärmebeschichtungsbarriere, die als ein Puffer dient, um Herstellungstoleranzen in dem Segment aufzunehmen, wodurch die Seitenwanddicke des Düsensegments gesteuert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 mit Bilden einer Stufe (60) in mindestens der einen Seitenwand des Segments und Aufbringen der Wärmebarrierebeschichtung in dieser Stufe.
Verfahren gemäß Anspruch 1 mit Bilden einer Stufe in jeder Seitenwand benachbarter Düsenbänder, Aufbringen einer Wärmebarrierebeschichtung in jeder Stufe und maschinelles Bearbeiten jeder Seitenwand, wobei die Wärmebarrierebeschichtung als ein Puffer dient, um Herstellungstoleranzen in den gegossenen Düsensegmenten aufzunehmen, wodurch die Seitenwanddicke der Düsensegmente gesteuert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Schritt des maschinellen Fertigens ein Entfernen der ganzen Wärmebarrierebeschichtung umfasst, die auf die Seitenwand des Düsensegments aufgebracht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Schritt des maschinellen Bearbeitens ein Entfernen eines Teils der Wärmebarrierebeschichtung und ein Übriglassen eines Teils der Wärmebarrierebeschichtung auf der Seitenwand umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, das ein Übriglassen eines Teils der Beschichtung entlang der Gesamtheit der entlang der Seitenwand ausgebildeten Stufe umfasst.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, das ein Schweißen einer Abdeckung und des Düsenbands aneinander umfasst, wobei eine Kammer dazwischen zum Aufnehmen eines Kühlmittels definiert wird, wobei der Schritt des maschinellen Bearbeitens nach dem Schweißen der Abdeckung und des Düsenbandes aneinander durchgeführt wird.