DE60129779T2

DE60129779T2 - Anbringung von Kühlkanälen in Turbinenteilen

Info

Publication number: DE60129779T2
Application number: DE60129779T
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Niskayuna Bunker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: EP1211385A3; EP1211385B1; US20020062544A1; EP1211385A2; DE60129779D1; JP2002201962A; JP4398616B2; US6427327B1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere die Reparatur und/oder Erweiterung bestimmter Komponenten, die in diesen Antrieben verwendet werden.
Eine Gasturbine enthält einen Verdichter, der verdichtete Luft einem Brenner zuführt, in dem sie mit Brennstoff gemischt und zum Generieren von Verbrennungsgasen gezündet wird. Diese Gase strömen stromabwärts zu einer oder mehreren Turbinenstufen, die ihnen Energie entziehen, um den Verdichter anzutreiben und Nutzarbeit bereitzustellen. Jede Turbinenstufe enthält üblicherweise ein stationäres Turbinenleitrad, auf das wiederum ein Turbinenrotor folgt. Der Turbinenrotor umfasst eine Reihe Rotorschaufeln (manchmal als Laufschaufeln bezeichnet), die an den Umfang eines Laufrads montiert sind, das sich um die Mittelachse der Gasturbine dreht. Das Leitrad, das Verbrennungsgase so in das Laufrad leitet, dass der Turbinenrotor Arbeit verrichten kann, weist mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Schaufeln auf, die radial an den Rotorschaufeln ausgerichtet sind. Turbinenleiträder sind in der Regel entlang ihrem Umfang segmentiert, um die Wärmeausdehnung zu ermöglichen. Jedes Leitradsegment weist ein oder mehrere zwischen inneren und äußeren Deckbändern angeordnete Leitradschaufeln auf, welche die radialen Strömungspfadbegrenzungen für die durch das Leitrad strömenden heißen Strömungsgase definieren.
Der Turbinenabschnitt ist am Ausgang der Brennkammer montiert und ist daher den eine extrem hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasen ausgesetzt. Zum Schutz vor den heißen Verbrennungsgasen werden die Turbinenkomponenten häufig mit einem Kühlmedium gekühlt. Ein allgemeiner Ansatz zum Kühlen von Turbinenschaufelkomponenten (z.B. Rotorschaufeln und Leitradschaufeln) besteht darin, einen Teil der verdichteten Luft aus dem Verdichter abzulassen und die Abluft zu inneren Kanälen in den Komponenten zu leiten. Die Luft zirkuliert durch die inneren Kanäle, um Wärme aus der Komponentenstruktur abzuführen. Die Luft kann durch kleine, in der Schaufeloberfläche ausgebildete Filmkühlbohrungen austreten, so dass eine dünne Schicht aus Kühlluft auf der Oberfläche erzeugt wird. Die Filmkühlung kann auch für die inneren und äußeren Deckbänder verwendet werden. In diesem Fall weist ein Deckband radial durch dieses hindurchgehende Filmkühlbohrungen auf. Kühlluft strömt durch die Filmkühlbohrungen, um an der heißen Seite des Deckbands einen Kühlluftfilm zu bilden. Andere bekannte Kühlansätze sehen u.a. vor, Dampf aus einer auch Restenergie nutzenden Gasturbine mit kombiniertem Prozess in einem geschlossenen Kreislauf als Kühlmedium für die Gasturbinenkomponenten zu verwenden. Ein separates, externes Druckluftsystem, das Turbinenkomponenten in einem geschlossenen Kreislauf Kühlluft zuführt, wurde ebenfalls eingesetzt.
Derzeit werden gekühlte Gasturbinenkomponenten, wie z.B. Rotorschaufeln und Leitradsegmente, in der Regel aus Feingussteilen gefertigt. Gusskomponenten enthalten in ihrer Gussdefinition die Hauptkonstruktionsmerkmale des Kühlschemas (z.B. Kanalgröße und -verlegung sowie die Position und Größe von Merkmalen wie inneren Rippenturbulatoren). Daher würde eine Änderung des Kühlschemas einen Umbau des Feingussteils erfordern, der mit einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
Da gekühlte Turbinenkomponenten während des Gasturbi nenbetriebs harten Bedingungen ausgesetzt sind, wird bisweilen festgestellt, dass bestimmte lokale Bereiche gemessen an der vorgesehenen Funktion oder Lebensdauer inadäquat gekühlt werden. Dies kann in dem lokalen Bereich Beanspruchungen wie Verbrennungen, Rissbildungen und dergleichen zur Folge haben. Diese Beanspruchungen führen bei der Komponente zu vorzeitiger Wartung oder verkürzter Lebensdauer. Oftmals kann die Modifizierung des Komponentenkühlschemas lokale Beanspruchungen mildern. Wie eingangs erwähnt, erfordert diese Modifizierung für gewöhnlich jedoch einen teuren und zeitaufwendigen Umbau des Feingussteils. Ein Verfahren zum Modifizieren des Komponentenkühlschemas wäre daher wünschenswert, so dass die lokale Kühlung verbessert wird, ohne dass der langwierige und kostenintensive Entwicklungszyklus für den Umbau des Feingussteils durchlaufen wird.
Die US-Patentanmeldung 3,613,207 beschreibt ein Verfahren zum Umschließen von Kühlkanälen, die in einer Brennkammer ausgebildet sind, bei dem Drähte zur Bedeckung der Kanäle durch Stege gesichert sind. Die US-Patentanmeldung 5,875,549 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen kleiner Kanäle in Strömungsmaschinen, bei dem Nuten ausgebildet und vollständig mit einem Füllstoff gefüllt werden. Ein Dampf kondensiert auf der Oberfläche der Komponente, woraufhin der Füllstoff entfernt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Modifizieren einer Gasturbinen-Gasturbinenkomponente bereitgestellt, die eine mit ihr verknüpfte Kühlmediumquelle aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Ausbilden wenigstens eines Kanals in der Komponente, wobei der Kanal einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt umfasst, der Kanal in Strömungsverbindung mit der Kühlmediumquelle steht und der untere Abschnitt von der Oberfläche beabstandet ist;
Füllen des unteren Abschnitts des Kanals mit einem entfernbaren Material;
Bedecken des entfernbaren Materials durch Befüllen des oberen Abschnitts des Kanals mit einer Flickmasse, so dass der Kanal vollständig ausgefüllt wird; und
Entfernen des entfernbaren Materials aus dem unteren Abschnitt des Kanals, um einen inneren Kühlkanal in der Komponente zu schaffen.
Der oben erwähnte Bedarf wird von der vorliegenden Erfindung erfüllt, die ein Verfahren zum Modifizieren einer Gasturbinenkomponente bereitstellt, die eine mit ihr verknüpfte Kühlmediumquelle aufweist. Das Verfahren beinhaltet das Ausbilden wenigstens eines Kanals in der Komponente, so dass der Kanal in Strömungsverbindung mit der Kühlmediumquelle steht. Darauf folgt die Teilbefüllung des Kanals mit einem entfernbaren Material und das Bedecken des entfernbaren Materials mit einer Flickmasse, so dass der Kanal vollständig ausgefüllt wird. Zuletzt wird das entfernbare Material aus dem Kanal entfernt, um einen inneren Kühlkanal in der Komponente zu schaffen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels detaillierter beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Turbi nenleitradsegments nach dem Stand der Technik.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Turbinenleitradsegments, das zwei in ihm ausgebildete Kanäle aufweist.
3 ist eine Längsschnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2.
4 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 4-4 von 2.
5 ist eine Querschnittansicht, die ein in dem Kanal untergebrachtes entfernbares Material darstellt.
6 ist eine Querschnittansicht, die eine den Kanal ausfüllende Flickmasse darstellt.
7 ist eine Querschnittansicht, die das aus dem Kanal entfernte Material darstellt.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines modifizierten Turbinenleitradsegments.
Von den Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten dieselben Elemente bezeichnen, stellt 1 ein konventionelles Turbinenleitradsegment 10 dar. Das Leitradsegment 10 ist ein Feingussteil, das eine zwischen einem äußeren Deckband 14 und einen inneren Deckband 16 angeordnete Schaufel 12 aufweist. Ein Befestigungsflansch 18 ist an der radialen Innenseite (oder „kalten Seite") 20 des inneren Deckbands 16 ausgebildet, um das Leitradsegment 10 an der stationären Gasturbinenstruk tur zu befestigen. Die Schaufel 12 definiert eine Blatt-Oberfläche und weist einen Innenhohlraum auf, durch den ein Kühlmedium zum Kühlen der Schaufel 12 strömen kann. Mehrere Filmkühlbohrungen 22 erstrecken sich radial durch das innere Deckband 16, um die radiale Außenseite (oder „heiße Seite") 24 des inneren Deckbands 16 mit einer an der kalten Seite 20 des inneren Deckbands angeordneten Plenumkammer (in 1 nicht dargestellt) zu verbinden. Die Plenumkammer fungiert als Quelle eines Kühlmediums, wie z.B. Verdichterabluft, das durch die Filmkühlbohrungen 22 strömt. Die Filmkühlbohrungen 22 erzeugen somit einen Kühlmediumfilm an der heißen Seite 24 des inneren Deckbands, der sich von dieser zu dem hinteren Rand des inneren Deckbands 16 erstreckt. In der Regel sind die Filmkühlbohrungen 22 vor dem Befestigungsflansch 18 angeordnet, weil die Kühlmedium-Plenumkammer aufgrund der strukturellen Anforderungen des inneren Deckbands 16 an einer vorderen Position begrenzt ist. Dadurch sind die Filmkühlbohrungen im Wesentlichen stromaufwärts vom hinteren Rand des inneren Deckbands platziert. Daher kann der hintere Eckenbereich 26 an der heißen Seite des inneren Deckbands eine inadäquate Kühlung erhalten und lokalen Beanspruchungen ausgesetzt sein, die auf eine durch Übertemperierung, thermische Beanspruchung, Kriechen oder die Fluidtemperatur ausgelöste Kurzzeitermüdung zurückzuführen ist.
In den 2-8 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem sich das Kühlschema des Leitradsegments 10 ohne Umbau des Feingussteils modifizieren lässt. Der Zweck der Kühlschemamodifizierung besteht darin, die Kühlung in dem hinteren Eckenbereich 26 zu verbessern und das Auftreten lokaler Beanspruchungen zu minimieren. Dieses Verfahren kann als Reparatur oder als Erweiterung umgesetzt werden. Dies bedeutet, dass das Verfahren verwendet werden kann, um durch die Reparatur beanspruchter Wartungsteile das erneute Auftreten der lokalen Beanspruchungen zu vermeiden, oder um Neuteile vor ihrer Inbetriebnahme so zu erweitern, dass die lokalen Beanspruchungen von vornherein vermieden werden. Im Folgenden bezeichnet das „Modifizieren" einer Komponente folglich das strukturelle Ändern der Komponente nach dem Gussprozess. Obwohl das Verfahren hier im Zusammenhang mit dem Abmildern lokaler Beanspruchungen an dem inneren Deckband eines Turbinenleitradsegments beschrieben wird, versteht es sich darüber hinaus, dass das Verfahren weder auf innere Deckbänder noch auf Leitradsegmente beschränkt ist. Das Verfahren kann auf jede gekühlte Turbinenkomponente angewendet werden, die tendenziell lokalen Beanspruchungen aufgrund von inadäquater Kühlung ausgesetzt sind.
Der erste Schritt des Verfahrens besteht, unter besonderer Bezugnahme auf die 2-4, in der Ausbildung eines oder mehrerer Kanäle 28 in der heißen Seite 24 des inneren Deckbands. Die Kanäle beginnen an einer Position vor dem Befestigungsflansch 18 und erstrecken sich zu dem hinteren Rand des inneren Deckbands 16, wodurch sie den für lokale Beanspruchungen anfälligen hinteren Eckenbereich 26 kreuzen. Wie aus 3 ersichtlich ist, sind die Kanäle 28 relativ flach, weisen aber eine ausreichende Tiefe zur Verbindung mit der Kühlmedium-Plenumkammer 30 auf, die an der kalten Seite 20 des inneren Deckbands vor dem Befestigungsflansch 18 angeordnet ist. Die Kanäle 28 können in jeder geeigneten Art und Weise ausgebildet werden, z.B. durch konventionelle Bearbeitung, Elektronenentladungsbearbeitung, Wasserstrahlschneiden, elektrochemische Bearbeitung (EDM), gepulste elektrochemische Bearbeitung und Laserbearbeitung. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist je der Kanal 28 zwei Abschnitte auf: einen unteren Abschnitt 32 und einen oberen Abschnitt 34. Die zwei Abschnitte 32, 34 erstrecken sich parallel zueinander, wobei der untere Abschnitt 32 der tiefere, schmalere Abschnitt und der obere Abschnitt 34 der flachere, breitere Abschnitt ist. In diesem Zusammenhang bezeichnen „tiefer" und „flacher" den Abstand, in dem der Boden jedes Abschnitts 32, 34 von der heißen Seite 24 angeordnet ist, und nicht ein bestimmtes Maß einer Seitenwand eines einzelnen Abschnitts. Obwohl die Kanäle 28 in den Figuren mit rechteckigen Querschnitten dargestellt sind, versteht es sich, dass die Kanäle eine Vielzahl unterschiedlicher Formen und Geometrien aufweisen können. Außerdem können die unteren Abschnitte 32 mit strukturellen Merkmalen wie Turbulatoren, Nadelkühlkörpern (Pin Flossen) oder dergleichen ausgeführt sein, die durch die Erhöhung des Wärmeübergangs die Kühlung verbessern sollen.
Nach dem Ausbilden der Kanäle 28 wird jeder untere Abschnitt 32, wie in 5 dargestellt, mit einem entfernbaren Material 36 gefüllt. Der Begriff „entfernbares Material" bezeichnet hier jede Substanz, die, ohne dass das Leitradsegment 10 sonst zu ändern ist, nach dem auf die unten beschriebene Weise erfolgenden „Flicken" der Kanäle 28 entfernt werden kann. Geeignete Beispiele sind u. a. keramische Materialien, Hochtemperatursalze oder auslaugbare Materialien wie Kupfer-Nickel-Legierungen und Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
In 6 besteht der nächste Schritt im Füllen jedes oberen Abschnitts 34 mit einem Flickmaterial 38, das das entfernbare Material 36 bedeckt und die Kanäle 38 vollständig füllt. Das Flickmaterial 38 wird durch ein beliebiges geeignetes Verfahren eingebracht, wie z.B. Metallplasmasprühen, PVD-Beschichtungsverfahren mit Elektronenstrahlen, Diffusionsschweißen oder Plattieren. Folglich wird das Flickmaterial 38 zu einem integralen Bestandteil des inneren Deckbands 16 und „flickt" dadurch die Kanäle 28. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Flickmaterial 38 um dasselbe Material (oder wenigstens um ein kompatibles Material mit ähnlichen Eigenschaften) wie das Substratmaterial des Leitradsegments 10, obgleich in einigen Fällen nicht identische Materialien verwendet werden können. Bei Gasturbinenkomponenten ist dies für gewöhnlich ein metallisches Material, wie z.B. Edelstahl, Titan und Hochtemperatur-Superlegierungen.
Nach Aufbringen der Flickmasse wird das entfernbare Material 38, wie in den 7 und 8 dargestellt, aus dem unteren Abschnitt 32 jedes Kanals 28 entfernt. Dies kann je nach Beschaffenheit des entfernbaren Materials 36 mit einer Reihe von Verfahren erreicht werden. Beispielsweise würde zum Entfernen auslaugbarer Materialien ein geeignetes Lösungsmittel zum Perkolieren durch das Material 36 gebracht, wodurch das Material 36 aus dem Kanal 28 ausgelaugt wird. Zum Entfernen von Hochtemperatursalzen würde das Leitradsegment 10 so lange erwärmt, bis sich das Salz verflüssigt und abläuft. Zum Entfernen keramischer Materialien würde das Leitradsegment in ein geeignetes Säurebad getaucht werden. Nach dem Entfernen des entfernbaren Materials 36 wird das Leitradsegment für den zusätzlichen Auftrag von Schutzbeschichtungen und/oder Wärmedämmschichten vorbereitet, die normalerweise auf das Teil aufgebracht werden.
Durch das Entfernen des entfernbaren Materials 35 wer den innere Kühlkanäle 40 in dem inneren Deckband 16 geschaffen, die sich von der Kühlmedium-Plenumkammer 30 zu dem hinteren Rand des inneren Deckbands 16 erstrecken. Die inneren Kanäle 40 ermöglichen somit ein Strömen des Kühlmediums durch den hinteren Eckenberech 26, wodurch die lokalen Beanspruchungen gemildert werden, die sonst tendenziell in diesem Bereich aufträten.
Wie oben erwähnt, dient das Turbinenleitradsegment 10 hier einfach als Beispiel zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Leitradsegmente beschränkt, sondern kann auf jede gekühlte Turbinenkomponente angewendet werden, die tendenziell lokalen Beanspruchungen aufgrund von inadäquater Kühlung ausgesetzt ist. Die verwendeten Kühlkanäle können unterschiedliche Formen und Geometrien aufweisen, solange sie eine Verbindung zu einer Kühlmediumquelle herstellen. Darüber hinaus sollte die Größe des Oberflächenbereichs der Flickmasse im Allgemeinen begrenzt werden, so dass die Festigkeit der Flickmasse nicht derselben Größenordnung wie die Festigkeit des Substratmaterials der Komponente entsprechen muss. Dadurch wird sichergestellt, dass die Flickmassenoberfläche strukturell in der Lage ist, den mechanischen und thermischen Beanspruchungen zu widerstehen.

Claims

Verfahren zum Modifizieren einer Gasturbinenkomponente (10), die eine mit ihr verknüpfte Kühlmediumquelle aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden wenigstens eines Kanals (28) in einer Oberfläche der Komponente (10), wobei der Kanal (28) einen unteren Abschnitt (32) und einen oberen Abschnitt (34) umfasst, der Kanal in Strömungsverbindung mit der Kühlmediumquelle steht und der untere Abschnitt (32) von der Oberfläche beabstandet ist; Füllen des unteren Abschnitts (32) des Kanals (28) mit einem entfernbaren Material (36); Bedecken des entfernbaren Materials (36) durch Befüllen des oberen Abschnitts (34) des Kanals mit einer Flickmasse (38), so dass der Kanal (28) vollständig ausgefüllt wird; und Entfernen des entfernbaren Materials (36) aus dem unteren Abschnitt (32) des Kanals (28), um einen inneren Kühlkanal (40) in der Komponente (10) zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der innere Kühlkanal (40) einen Bereich (26) der Komponente (10) quert, der anfällig für lokale Beanspruchungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das entfernbare Material (36) durch Auslaugen entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das ent fernbare Material (36) durch Erwärmen des entfernbaren Materials (36) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ausbildungsschritt umfasst: Ausbilden wenigstens eines Kanals (28) in einer Oberfläche der Komponente (10); wobei der untere Abschnitt (32) schmaler als der obere Abschnitt (34) des Kanals ist und der untere Abschnitt (32) weiter unterhalb der Komponentenoberfläche angeordnet ist als der obere Abschnitt (34).