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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungsraums
für eine
Gasturbinenmaschine mit einem luftdurchlässigen offenzelligen Metallschaum-Kern,
der nach innen und nach außen
von perforierten dünnen
Metall- oder Keramikwänden begrenzt
wird.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die
Erfindung umfasst die Herstellung einer Verbundwand mit einer offenzelligen
Metallschaum-Kernschicht, die an eine innere und eine äußere Schicht
aus Metall oder Keramik gebunden ist, die zum Aufbau der Wände einer
kostengünstigen Hochtemperatur-Verbrennungskammer
für eine
Gasturbinenmaschine verwendet werden kann.
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Ein üblicher
ringförmiger
Verbrennungsraum des Stands der Technik ist aus großen Abschnitten aufgebaut,
die dünne
Metallwände
haben, die ausgehend von einem einzigen Schmiedeteil durch maschinelle
Bearbeitung dickenmäßig verringert
werden, wie beispielsweise in dem McCaldon et al. am 27. Juni 2000
erteilten
US-Patent Nr. 6 079
199 gezeigt. Große
Abschnitte des Verbrennungsraums werden aus einem einzigen Schmiedeteil
durch maschinelle Bearbeitung hergestellt, oder die gesamte Verbrennungsraum-Außenhülle wird
aus mehreren individuell maschinell bearbeiteten Platten, die jede von
einem getrennten Schmiedeteil sind und danach präzise zusammengeschweißt werden,
aufgebaut. Ein Verfahren der Herstellung eines Schaumkatalysatorträgers durch
Beschichten eines offenzelligen Kohlenstoffschaum-Skeletts ist in
EP-A-0 747 124 offenbart.
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Dieses
Verfahren zum Erzeugen einer Verbrennungsraum-Außenhülle ist jedoch weniger als optimal
wegen der inhärenten
Einschränkungen
des Zurichtens, Schweißens
und maschinell Bearbeitens großer
Komponenten auf die erforderlichen Endtoleranzen. Um eine Verbrennungsraumwand
wirtschaftlich herzustellen, können
Abschnitte relativ dick im Querschnitt belassen werden, um die Menge
an benötigter
maschineller Bearbeitungszeit zu verringern, und auch, um die mit
dem maschinellen Bearbeiten sehr dünner Außenhüllen mit großem Durchmesser verbundene
Schwierigkeit zu verringern. Als ein Ergebnis können Verbrennungsräume des
Stands der Technik daher sehr schwer sein mit einer mechanischen
Festigkeit, die die Erfordernisse der Maschine und die Erfordernisse
des Verbrennungsraums als ein Druckgefäß weit überschreitet. Die Verbindungen zwischen
den Platten werden relativ dick gelassen, um das Bohren einer großen Anzahl
kleiner Kühllöcher, die
erforderlich sind, um einen schützenden Kühlluft-Film
in einem stromabwärtigen
Verbrennungsraum-Abschnitt zu entwickeln, zu erlauben.
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Die
Metallkonstrukte sind teuer, schwierig aus hochbelastbaren, hochfesten,
teuren Materialien maschinell herzustellen, und können dennoch
an der inneren Oberfläche
eine Beschichtung aus einer keramischen Wärmesperre erfordern, um das
Metall zu schützen.
Die Komplexität
der Oberflächenmerkmale und
eine große
Anzahl von Kühllöchern macht
die Aufbringung der keramischen Sprühbeschichtung zu einem zeitaufwändigen und
teuren Vorhaben wegen der Menge an Vorbereitungsarbeit beim Maskieren über den Öffnungen,
um ein Abdecken der Kühlöffnungen
oder Rillen zu vermeiden, um ihre Funktion aufrecht zu erhalten.
Zwar haben moderne Herstellungstechniken unter Verwendung von Computerkontrolle
die Herstellungskosten etwas gemäßigt, aber
der moderne Verbrennungsraum ist immer noch ein in der Herstellung
teures Konstrukt.
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Die
Rolle des Verbrennungsraums ist, als ein Hitzeschild zu dienen,
das die Wände
des Druckgefäßes, das
den Verbrennungsraum umgibt und Druckluft aus dem Kompressor enthält, schützt. Bei der
Zündung
des Brennstoff- und Luft-Gemisches werden Verbrennungsgase erzeugt,
und der Verbrennungsraum dient auch dazu, die Verbrennungsgase physisch
zu leiten und die benachbarten Bereiche der Maschine vor der extremen
Hitze der Verbrennungsgase zu schützen. Der Verbrennungsraum dosiert
auch die in den Verbrennungsraum strömende Druckluft in einem spezifischen
Verhältnis
unter Erzeugung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das die Bildung
einer stabilen Flammzone in dem Verbrennungsraum erlaubt. Wenn die
Luftströmung
in dem Verbrennungsraum nicht eingeteilt und dosiert würde, wäre die Flamme
schwierig zu erhalten und aufrecht zu erhalten, was zu einer Maschinenleistung führen würde, die
extrem unzuverlässig
ist.
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In
der Praxis ist der Verbrennungsraum jedoch ein wenig mehr als eine
Gasströmungs-Leiteinrichtung,
die Gase unterschiedlicher Temperaturen trennt. Er dosiert die Druckluft-Strömung in
die Verbrennungszone und widersteht strukturmäßig einem mäßigen Druckabfall über seine
Oberfläche,
wenn Luft in die Kühllöcher und
die Dosierlöcher
eintritt. Die von diesem Druckunterschied, der auf die Verbrennungsraumwände einwirkt,
auferlegte Belastung ist relativ niedrig, und ein sehr dünnwandiger
Abschnitt könnte
den Druckunterschied leicht aushalten. Die größte Beanspruchung der Verbrennungsraumwände ergibt
sich aus großen
Temperaturgradienten, die von den nicht-homogenen Gastemperaturen
im Inneren des Verbrennungsraums, die zu unterschiedlichen thermischen
Beanspruchungen führen und
von der Wirksamkeit des Luft/Brennstoff-Mischens abhängig sind,
erzeugt werden. Je höher
die Temperaturgradienten im Inneren des Verbrennungsraums, desto
höher die
thermischen Beanspruchungen, denen der Verbrennungsraum standhalten muss.
Die Wanddicke in einem homogenen Material wie Nickellegierung verschlimmert
auch die Gradienten und Beanspruchungen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Verbrennungsraum für eine
Gasturbinenmaschine, der preiswerter hergestellt werden kann und
eine bessere Leistung bietet, herzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines verbesserten Verbrennungsraums bereitzustellen.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung werden bei der Durchsicht der Offenbarung,
der Zeichnungen und der Beschreibung der Erfindung unten offenkundig.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundwand
mit einem Sandwich-Aufbau für
einen Gasturbinenmaschinen-Verbrennungsraum, die eine an eine innere
und eine äußere Verkleidungsschicht
aus Metall oder Keramik gebundene, offenzellige Metallschaum-Kernschicht
besitzt, bereit.
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Ein
Kernsubstrat aus offenzelligem gasdurchlässigem Schaum wird in einer
ausgewählten Geometrie,
beispielsweise aus gegossenem Polyurethankautschuk- Schaum, erzeugt.
Das Substrat wird einfach gegossen und kann thermisch in ein relativ
starres, aber sprödes
Kohlenstoffkonstrukt, das leicht maschinell bearbeitet werden kann,
umgewandelt werden. Das offenzellige Kohlenstoffschaum-Substrat
wird dann mit Metalldampf imprägniert,
und eine poröse
Schicht aus Metall wird auf ausgesetzten inneren und äußeren Oberflächen des Substrats
abgeschieden, wodurch der offenzellige Metallschaum-Kern durch Metalldampf-Abscheidung gebildet
wird. Die Bildung von Nickel-Aluminium-Schaumkonstrukten ist in
dem
US-Patent 5 951 791 von Bell et
al., das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird, beschrieben.
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Dünne innere
und äußere Verkleidungsschichten
werden durch Spritzaufbringung von Metall- oder Keramik-Verkleidungsmaterialien
auf dem Metallschaum-Kern gebildet. Maskieren des Metallschaum-Kerns
vor dem Sprühen
führt zur
Bildung von Durchgängen
oder Schlitzen für
eine Gasströmung
durch die Verbundwand zum Kühlen,
zur Luftfilm-Bildung, zum Filtern oder für andere Zwecke. Der Imprägnierungsschritt
kann umfassen, dass das Substrat Nickeldampf ausgesetzt wird und
danach der Nickelmetallschaum-Kern durch Metalldampf-Abscheidung
mit Aluminium, das weiter reagieren kann, um einen Nickelaluminid-Metallschaum-Kern zu bilden, beschichtet
wird.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit
die Erfindung ohne Weiteres verstanden werden kann, wird eine Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht.
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1 ist
eine axiale Schnittansicht durch einen konventionellen Umkehrströmungs-Verbrennungsraum
des Stands der Technik für
eine Gasturbinenmaschine, die insbesondere die komplexe Anordnung
maschinell bearbeiteter innerer und äußerer Verbrennungsraumwände mit Öffnungen,
Einlässen und
Lippen, um einen Vorhang aus Kühlluft
zwischen den heißen
Verbrennungsgasen und den Metallwänden des Verbrennungsraums
zu bilden, zeigt.
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2 ist
eine ähnliche
Schnittansicht durch einen gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Verbrennungsraum mit einem luftdurchlässigen offenzelligen Metallschaum-Kern,
der nach innen und nach außen
von dünnen
Metall- oder Keramik-Wänden
begrenzt wird, die die Strömung
von Kühlluft
aus der Druckluftkammer um den Verbrennungsraum herum durch äußere Öffnungen,
durch den luftdurchlässigen
offenzelligen Metallschaum-Kern und in das Innere des Verbrennungsraums
austretend, um stromab von der Brennstoff-Düse einen Kühlluft-Film zu bilden, zeigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann Gasturbinenmaschinen-Konstrukteure befähigen, einen Verbrennungsraum
mit einer Geometrie und einer Temperaturtauglichkeit, die bestehenden
Metall-Verbrennungsräumen ähnlich ist,
zu konstruieren. Die Erfindung verringert jedoch signifikant die
Menge und das Gewicht an verwendeten Materialien, da das Verfahren
ein allmähliches
Aufbauen des Metallschaums und der Beschichtung mit außenseitig
Metall und innenseitig Keramik umfasst. Der aufgebaute Schaum mit
dünnen
Beschichtungen erzeugt einen Verbrennungsraum, der viel leichter
ist als die konventionelle Verbrennungsraum-Außenhülle, die aus einem Schmiedeteil
aus massivem Metall aus hochbelastbaren teuren Legierungen durch
maschinelle Bearbeitung hergestellt ist.
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Die
Mühe und
die Konstruktionsanstrengungen, die aufgewendet wurden, um eine
Verbrennungsraum-Außenhülle herzustellen,
werden verringert, wenn ein leichtgewichtiger Metallschaum verwendet
wird. Der Schaum kann im Vergleich zu konventionellen starren Metall-Außenhüllen, die
zumindest eine Minimaldicke erfordern, um eine maschinelle Bearbeitung
zu erlauben, leicht gegossen oder geformt werden. Die Metallschaum-Wand
kann mit einer Strömung
innerhalb des Schaumkerns effizient gekühlt werden und erfordert eine
viel einfachere Anordnung von Öffnungen,
um einen inneren Film zur Kühlung
zu schaffen. Durch einfaches Maskieren der Öffnungen von der Spritzaufbringung
der inneren und der äußeren Beschichtung
auf den Metallschaum liefert die Erfindung, im Vergleich zum Bohren
zahlreicher Löcher
in einem maschinellen Bearbeitungsvorgang hoher Präzision in
eine dünne
Außenhülle aus Metallblech,
ein viel einfacheres Mittel zur Herstellung von Öffnungen für Kühlluft.
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Bevorzugt
sind die Außenwand
und die Innenwand aus zwei getrennten Stücken aufgebaut. Die mittlere
Schaumkernschicht jeder Wand kann aus einem porösen, intermetallischen Hochtemperatur-Schaummaterial
hergestellt sein. Der Schaum dient als ein Substrat, auf das die äußere metallische Verkleidungsschicht
und die innere keramische Verkleidungsschicht aufgesprüht werden.
Bei geeignetem Maskieren werden Schlitze oder Öffnungen gebildet, durch die
Kühlluft
aus dem inneren Schaum ausströmen
kann. Ein signifikanter Vorteil der Schaumstruktur ist die Fähigkeit,
sich zu biegen oder an örtliche
Beanspruchungen anzupassen, während die
Luftströmung
und die Druckkontrolle beibehalten werden, mit einer im Wesentlichen
undurchlässigen äußeren Metall-Oberflächenschicht
und inneren Keramik-Oberflächenschicht.
Als ein Ergebnis folgt das Schaumkonstrukt der Verbundwand mit inneren
und äußeren Verkleidungsschichten
eher thermischen Beanspruchungen und verhindert, dass irgendein
signifikanter Spannungsaufbau die innere und die äußere Schicht
beschädigt.
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Bevorzugt
ist das offenzellige Metallschaummaterial Nickelaluminid, ein intermetallisches
Hochtemperaturmaterial. Nickelaluminid ist bei konventionellen atmosphärischen
Temperaturen relativ spröde,
es hat jedoch bei den erhöhten
Temperaturen, wie sie in einem Gasturbinenmaschinen-Verbrennungsraum
zu erfahren sind, hochgradig wünschenswerte
Festigkeits- und Oxidations-Eigenschaften und ist daher vielen konventionellen
metallischen Materialien für
Hochtemperatur-Anwendungen überlegen. Die
offenzellige Struktur des Metallschaum-Kerns erlaubt, dass unter
dem Druckunterschied des Verbrennungsraums Kühlluft mit hoher Geschwindigkeit durch
das poröse
Kernmaterial strömt.
Es kann eine hohe konvektive Kühlrate
erzielt werden ohne das Vermischen von Kühlluft mit den heißen Verbrennungsgasen
in dem Verbrennungsraum wie bei konventionellen Film-Kühlverfahren.
Bei der konventionellen Filmkühlung
werden zahlreiche Löcher
an der Außenoberfläche des
Verbrennungsraums verwendet, um einen Film zu erzeugen, der die
Verbrennungsraum-Metallwände
davor schützt,
Verbrennungsraumgasen ausgesetzt zu werden, aber gleichzeitig die
Verbrennungsraumgase verdünnt
und die Verbrennungsgas-Temperatur erniedrigt. Das Metallschaummaterial
der vorliegenden Kernschicht erlaubt jedoch einen Durchgang von
Kühlluft
im Inneren der Verbrennungsraum-Wand und stützt sich nicht vollständig auf
die Erzeugung eines Luftfilms, um die Verbrennungsraumwand zu schützen und
zu kühlen.
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Der
Schaumkern hat auch eine große
Oberflächenfläche, die
die Wärmeübertragung
von der Metall-Oberflächenschicht
des Verbundwand-Konstrukts zu der Kühlluft, die durch den porösen Kern hindurch
geht, fördert.
Wenn die Luft aus dem Kern heraus in das Verbrennungsraum-Innere
austritt, kann ein Kühlluft-Film erzeugt
werden, wodurch die stromabwärtigen
Oberflächen
gegen die heißen
Verbrennungsraumgase isoliert werden. Ein weiterer Vorteil des Führens von
Kühlluft
durch das poröse Kern-Schaummaterial
ist, dass die Kühlströmung in zwei
Richtungen sein kann. Die Luft, die durch den Schaumkern hindurch
geht, kann stromab eingelassen werden und in einer stromaufwärtigen Richtung zum
Brenner hin durch das poröse
Kernmaterial geführt
werden. Wenn die Luftströmung
in dem porösen Kern
in der stromaufwärtigen
Richtung voran kommt, kann die Strömung dann gedreht werden, während sie
durch Auslässe
in der inneren Verkleidungsschicht hindurch tritt, um auf den inneren
Verbrennungsraum-Oberflächen
einen Luftfilm zu bilden, und sich stromab bewegen, um aus dem Verbrennungsraum
auszutreten. Die Kühlströmung in
zwei Richtungen ist, verglichen mit der Stützung auf Luftfilmkühlung in
Verbrennungsräumen
des Stands der Technik mit Metallplatten-Außenhüllen, eine extrem effiziente Form
der Kühlung.
Die Diffusionsströmung
von Kühlluft
durch den Schaum erlaubt die Verwendung einer relativ kleinen Anzahl
von Dosierungslöchern
durch die äußere metallische
Verkleidungsschicht oder Oberflächenschicht.
Die Verwendung einer Verbundwand mit innerem Schaumkern, der die
Kühlluftströmung gleichmäßig durch
die Wand führt,
erlaubt dadurch die Bildung eines durchgehenden Umfangsfilms innen
auf der Oberfläche,
wenn die Kühlluft durch Öffnungen
oder Schlitze in der inneren Verkleidungsschicht in das Verbrennungsraum-Innere
diffundiert. Ein signifikanter Vorteil dieses effizienten Kühlsystems
ist, dass die innere Verkleidungsschicht gewünschtenfalls aus einem metallischen
Material anstatt aus einer spröden
Hochtemperatur-Keramik sein kann. Eine metallische innere Verkleidungsschicht
hat eine niedrigere Temperatur-Widerstandsfähigkeit, kann aber schnell
Wärme zu
dem inneren Schaumkern leiten. Daher erlaubt die Verwendung eines
Schaumkerns mit innerer Kühlluft-Strömung die
Verwendung einer Metall-Auskleidung im Inneren des Verbrennungsraums,
um konventionelle Keramik-Auskleidungen zu ersetzen. Keramische
Schichten sind schwerer als Metall und sind wegen der spröden Natur
und dem Mangel an Biegsamkeit einer keramischen Oberflächenschicht
im Vergleich zu einer metallischen Oberflächenschicht auch anfällig für Abplatzen
als Reaktion auf einen starken Temperaturgradienten.
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Die
Erfindung erlaubt auch, dass Kühlluft
exponierte Öffnungen
stromab von größeren Löchern schützt, indem
sie einen Kühlfilm
aufrecht erhält.
Bei konventionellen Verbrennungsräumen leidet der Nachstrombereich
von Löchern
in der Ver brennungsraum-Wand wegen der Schwierigkeit, einen Kühlfilm in
den Nachstrombereichen aufrecht zu erhalten, unter der schlechtesten
Haltbarkeit. Kühlschlitze
oder Kühlöffnungen
können
in den inneren und äußeren Verkleidungsschichten
der Verbundwand leicht erzeugt werden, einfach indem die Bereiche
vor der Aufbringung von Spritzbeschichtungsmaterialien maskiert
werden, um dieses Problem zu vermeiden.
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Die
Verbundwand besteht in erster Linie aus einem porösen Metallschaum-Kern,
der inhärent sehr
leicht ist, da er 80% bis 85% Luftblasen enthält. Während das Schaummaterial selbst
keine hohe Festigkeit bzw. Härte
hat, schafft das Vorsehen von durchgehenden inneren und äußeren Verkleidungsschichten
einen klassischen Sandwich-Effekt, wobei das Widerstandsmoment der
Wand erhöht
wird. Die Trennung von inneren und äußeren Verkleidungsschichten
durch das relativ leichte offene Schaum-Kernmaterial erhöht signifikant
die Biegefestigkeit. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass in
dem Kernsubstrat leicht komplexe Geometrien zu formen oder zu gießen sind,
während
sich der Kern im Zustand eines Schaumgummis befindet. Im Gegensatz
zu den hoch belastbaren Supermetalllegierungen, die konventionell
verwendet werden, wird Schaumgummi leicht und schnell zu komplexen
Geometrien geformt. Wenn die grundlegende Geometrie des Kernsubstrats
geformt ist, wird der Schaumgummi thermisch in ein Kohlenstoff-Konstrukt
umgewandelt, das die Eigenschaften des porösen Schaums beibehält, aber
starr genug ist, um ein maschinelles Einarbeiten komplizierter Details,
die im biegsamen Gummizustand nicht möglich sind, zu erlauben. Beispielsweise
können
Löcher
genau gebohrt werden, Flansche, Schultern und andere strukturelle
Merkmale können
durch maschinelles Bearbeiten dem Kohlenstoffschaum-Konstrukt hinzugefügt werden.
Das Kohlenstoffkern-Substrat dient als ein Stützkonstrukt, das durch Metalldampf-Abscheidung
in Nickelschaum umgewandelt wird. Eine dünne Schicht aus Metall wird
auf den Oberflächen
des Kohlenstoffschaums in einer porösen Struktur abgeschieden,
wodurch ein Metallschaum erzeugt wird, der auf dem Kohlenstoffschaum-Konstrukt
getragen wird. Bei großer
Hitze brennt der Kohlenstoff weg, wobei er den Metallschaum alleine
hinterlässt.
Der Nickelschaum wird ebenfalls durch Metallabscheidung mit Aluminium
beschichtet und wird dann durch thermische Reaktion in Nickelaluminid
umgewandelt.
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Verfahren
des Stands der Technik beinhalten das Schmieden eines Metallplatten-Rohlings und dann
das genaue maschinelle Einarbeiten der Oberflächenmerkmale und das Bohren
von Öffnungen, um
Merkmale an den inneren und äußeren Verbrennungsraum-Außenhüllenflächen auszubilden.
Dies beinhaltet eine hochgradig genaue Entfernung großer Mengen
an teuren und schwer mechanisch zu bearbeitender Materialien. Teure
Materialien hoher Qualität
werden effektiv verschwendet, wobei sie in einem arbeitsintensiven
maschinellen Bearbeitungsvorgang in Metallabfall von viel geringerem
Wert verwandelt werden.
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Im
Gegensatz dazu stellt die Erfindung eine Technik zur minimalen Verwendung
von Rohmaterialien, die während
der Metalldampf-Abscheidung inkrementell in kleinen Mengen zugegeben
werden, bereit. Zusätzlich
zum Vermeiden der Erzeugung großer
Mengen an verschwendetem Abfallmaterial ermöglicht die Metalldampf-Abscheidungstechnik eine
Feinabstimmung der präzisen
Dicke von Schaummaterialien. Beispielsweise führt eine längere Zeitdauer in einer Metalldampf-Abscheidungskammer
zu einer dickeren Schicht von auf dem Kohlenstoffschaum abgeschiedenem
Metall, wie auch eine Veränderung
der Formtemperatur. Durch Variieren des Prozesses der Dampfabscheidung
können
Konstrukteure die Stärke
des Metallschaums steigern oder verringern, ohne die Geometrie signifikant
zu verändern,
lediglich durch Verlängern
oder Verkürzen
der Zeitdauer, während
der der Kohlenstoffschaum der Metalldampf-Abscheidungsumgebung ausgesetzt
wird.
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Die äußere Verkleidungsschicht
oder Oberflächenschicht
dient dem Zweck des Abdichtens der Außenoberfläche des Schaumkerns als ein
Druckgefäß mit Luftströmungs-Dosierlöchern, die
entweder durch Bohren oder durch Maskieren während der Spritzaufbringung
der äußeren Verkleidungsschicht ausgebildet
werden. Die Abdichtung der äußeren Verkleidungsschicht
ermöglicht
die Entwicklung eines kontrollierten Luftdruckabfalls zwischen der
Außenseite
des Verbrennungsraums und dem inneren Verbrennungsraumbereich, um
einen Kühlluft-Strom durch
die poröse
mittlere Metallschaum-Kernschicht und dann durch Öffnungen
in der inneren Verkleidungsschicht in den Verbrennungsraum zu erzeugen.
Der zweite Hauptzweck der äußeren Verkleidungsschicht
oder Oberflächenschicht
ist, die innere Festigkeit des Konstrukts insgesamt zu erhöhen. Eine
durchgehende äußere Verkleidungsschicht
erhöht
die innere Festigkeit der Schicht-Verbundwand und schafft eine dünne hochfeste
Trennwand auf dem relativ biegsamen of fenzelligen Metallschaum-Kern.
Durch Spritzen von Material auf die Außenoberfläche des Metallschaum-Kerns,
um die äußeren Verkleidungsschichten
zu bilden, kann die äußere Verkleidungsschicht
in einer sehr dünnen Schicht,
wie 0,020 inch (0,5 mm), aufgebaut werden, was einen extrem leichtgewichtigen
Verbundwand-Aufbau
zulässt.
Die Spritzaufbringung erlaubt exakte Variationen in der Dicke der äußeren Verkleidungsschicht,
um sich an Beanspruchungen in unterschiedlichen Bereichen des Verbrennungsraums
anzupassen. Die Dicke der äußeren Verkleidungsschicht
kann leicht variiert werden, beispielsweise um eine dickere Schicht
in Bereichen hoher Beanspruchung bereitzustellen. Die Oberfläche der äußeren Verkleidung
kann gerippt sein, um für
eine größere innere
Steifheit zu sorgen oder Variationen der Kühlluft-Strömungsrichtung ohne signifikante
Erhöhung
des Gewichts oder der Kosten lediglich durch Formen der Außenoberfläche des
Metallschaum-Substrats vor der Spritzaufbringung des äußeren Verkleidungsschichtmaterials
zu veranlassen. Die Strömungs-Zuteilung
zu verschiedenen Bereichen in dem Verbrennungsraum kann leicht durch Dosierlöcher, die
gebohrt oder durch Maskieren der Oberfläche während der Spritzaufbringung
gebildet werden, kontrolliert werden.
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Die
innere Verkleidungsschicht dient dem Zweck des Abdichtens der inneren
Oberfläche
des Schaumkerns und trennt die heißen Verbrennungsraumgase in
dem Verbrennungsraum von der Kühlluft-Strömung, die
zwischen den inneren und äußeren Verkleidungsschichten
in dem Schaumkern der Verbundwand strömt. Die innere Verkleidungsschicht wird
bevorzugt in einem Spritzprozess aufgebracht und enthält Kühlauslässe zur
Erzeugung eines Kühlfilms
einfach durch Maskieren vor der Spritzaufbringung der inneren Verkleidungsmaterialien.
Die Verwendung einer keramischen Verkleidungsschicht kann dazu dienen,
Wärmestrahlungsenergie
zurück in
den Verbrennungsraum zu reflektieren. Bei konventionellen Verbrennungsräumen des
Stands der Technik kommt ein großer Teil der Kosten der Keramikbeschichtung
von dem Erfordernis, mehrere Bereiche der inneren Oberfläche zu maskieren,
um die große
Anzahl gebohrter Öffnungen
abzudecken. Diese Erfindung kann jedoch eine merkmalslose Innenausgestaltung
herstellen und macht die Beschichtungsaufbringung relativ einfach
und kostengünstig. In
Verbindung mit der äußeren Verkleidungsschicht verstärkt die
innere Verkleidungsschicht auch die Verbundwand signifikant, indem
sie das Widerstandsmoment erhöht
und eine durchgehende innere Trennwand bereitstellt, die von der äußeren Verkleidungsschicht
durch den relativ leichtgewichtigen inneren Schaum kern getrennt
ist. Wegen des großen Widerstandsmoments
der Verbundwand hat die Verbundwand im Vergleich zu konventionellen
einheitlichen Verbrennungsraum-Konstruktionen ein relativ hohes
Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht.
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Daher
führt die
erfindungsgemäße Verbundwand
zu überlegenen
Kühlanordnungen,
die unter Verwendung einer Luftströmung in der Schaumkernschicht
möglich
sind, eine preisgünstige
Herstellungstechnik, eine effiziente Verwendung von Materialien
und ein hohes Widerstandsmoment schafft eine signifikante Verbesserung
gegenüber
konventionellen Verbrennungsraum-Konstruktionen, die teure maschinelle
Bearbeitungstechniken verwenden und große Mengen an verschwendetem
Abfallmaterial und arbeitsintensive maschinelle Bearbeitungsvorgänge erzeugen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung und ihrer Vorteile werden aus der unten
enthaltenen genauen Beschreibung deutlich.
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GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 veranschaulicht
eine konventionelle Umkehrströmungs-Anordnung
des Stands der Technik, während 2 ein äquivalentes
Konstrukt zeigt, das aus einer Verbundwand gemäß der Erfindung hergestellt
ist. In beiden Fällen
ist die allgemeine Verbrennungsraumgeometrie näherungsweise dieselbe, und
die Zuführung
von Druckluft, Brennstoff und die Zündung innerhalb des Verbrennungsraums
sind im Wesentlichen dieselben. Außerdem werden die stromaufwärtigen und
stromabwärtigen
Bereiche der Maschine von den Unterschieden im Aufbau der Verbrennungsraumwand
nicht signifikant beeinflusst.
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Bezugnehmend
auf 1, ist der konventionelle Verbrennungsraum 1 zwischen
einer äußeren Verbrennungsraum-Wand 2 und
einer inneren Verbrennungsraum-Wand 5 abgegrenzt.
Die Wände 2 und 5 sind
ringförmige
Schalen bzw. Außenhüllen, die
aus einem Schmiedeteil aus Metalllegierung hergestellt und dann
durch maschinelle Bearbeitung, die die Oberflächenmerkmale und die Einzelheiten
der Form hinzufügt,
in der Dicke verringert werden. Danach werden zahlreiche kleine
Löcher
in die äußeren und
inneren Wände 5 und 2 gebohrt,
um Öffnungen für eine Film-Luftströmung und
zum Zumischen von Luft, um in den Verbrennungs raum einzutreten,
zu erzeugen. In dem gezeigten Verbrennungsraum des Stands der Technik
hat die große
Ausgangsleitung 4 eine Doppelwandschicht, um für eine verbesserte Auftreff-Kühlströmung zu
sorgen, die die Haltbarkeit dieses Abschnitts des Verbrennungsraums
erhöht. Gekühlte Druckluft
wird von einem Propellergebläse (nicht
gezeigt) durch Diffuserrohre 7 in eine Druckluftkammer 3,
die den ringförmigen
Verbrennungsraum 1 vollständig umgibt, eingespeist. Flüssiger Brennstoff
unter Druck wird zu der Brennstoffdüse 9 zu dem Brennstoff-Zuführrohr 8 zugeführt. Wie
in 1 mit Pfeilen angegeben ist, wird die in der Kammer 3 befindliche
Druckluft durch Öffnungen
in den Düsentassen 10 geführt. Öffnungen
in den Verbrennungsraumwänden 2 und 5 erzeugen
einen Vorhang von Kühlluft
oder einen Luftfilm zwischen den heißen Verbrennungsgasen und den
Metalloberflächen
der Verbrennungsraumwände 2, 5.
Zusätzlich
liefert die Kammer 3 Druckluft zur Vermischung mit dem
Brennstoff, der aus der Brennstoffdüse 9 gespritzt wird,
um die Flamme zu unterhalten und für eine effiziente Verbrennung
zu sorgen. Heiße
Gase gehen durch den Verbrennungsraum 1 hindurch, vorbei
an der Stator-Turbinenstufe 6, um die Turbinenrotoren in
bekannter Weise anzutreiben.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind
die Verbrennungsraumwände
ersetzt durch eine dreischichtige Verbundwand, die eine offenzellige
Metallschaum-Kernschicht 12, die an eine innere Verkleidungsschicht 13 aus
Keramik oder Metall und an eine äußere Verkleidungsschicht 14,
bevorzugt aus Metall, gebunden ist, aufweist.
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Es
versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung
jeder beliebigen Verbundwand-Form verwendet werden kann und nicht auf
die Erzeugung eines Verbrennungsraums für eine Gasturbinenmaschine
beschränkt
ist. Der Verbundwand-Aufbau kann für viele andere Maschinenkomponenten,
die davon, einen leichtgewichtigen porösen inneren Kern zu haben,
der Einfachheit der Herstellung, profitieren können, verwendet werden und
kann auf die Erzeugung von Strukturelementen angewendet werden,
hauptsächlich
abhängig
von den damit verbundenen wirtschaftlichen Verhältnissen.
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Das
Verfahren zur Herstellung der Verbundwand beinhaltet die folgenden
Schritte. Ein Kernsubstrat wird aus offenzelligem gasdurchlässigem Schaum
in einer ausgewählten
Geometrie erzeugt. In der Ausführungsform
weist die Geometrie die angenäherte
Form einer des Verbrennungsraums auf und besteht bevorzugt aus offenzelligem
Polyurethankautschuk-Schaum, der zur thermischen Umwandlung in ein
Kohlenstoffschaum-Konstrukt in der Lage ist, wie oben angegeben.
Polyurethankautschuk-Schaum wird leicht gegossen oder zu der gewünschten
Geometrie geformt, und wenn er hoher Hitze unterzogen wird, wandelt
sich der Polyurethankautschuk-Schaum in ein relativ sprödes Kohlenstoffschaum-Konstrukt
um, das durch maschinelle Bearbeitung mit einstückigen Einzelheiten wie Rillen,
Löchern,
Schlitzen oder beliebigen anderen gewünschten Merkmalen ausgestattet
werden kann, während es
die Abmessungen der ausgewählten
Geometrie beibehält.
Der Schaum könnte
auch an Ort und Stelle in einem Raum mit Verbrennungsraumform erzeugt werden.
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Der
nächste
Schritt beinhaltet das Imprägnieren
des offenzelligen Schaumsubstrats mit Metalldampf und das dadurch
Abscheiden einer porösen Schicht
aus Metall auf den exponierten inneren und äußeren Oberflächen des
offenzelligen Schaumsubstrats. Als ein Ergebnis wird das Kohlenstoffschaum-Konstrukt
mit einer dünnen
Schicht aus Metall beschichtet und bildet durch Metalldampf-Abscheidung
einen offenzelligen Metallschaum-Kern.
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Wenn
das Kohlenstoffschaum-Konstrukt in einem Ofen extremer Hitze ausgesetzt
wird, zersetzt es sich. Bei anderen Anwendungen können die
Konstrukteure jedoch wählen,
das Kohlenstoffschaum-Konstrukt intakt zu lassen, um die Gefügefestigkeit
zu erhöhen
und die Herstellungkosten zu verringern.
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Nach
Beendigung der obigen Schritte wird die offenzellige Metallschaum-Kernschicht 12 daher innen
und außen
maskiert, wo Öffnungen
und Schlitze erwünscht
sind. Durch Spritzaufbringung von Verkleidungsmaterialien wie Metallen
oder Keramiken werden die innere Verkleidungsschicht 13 und
die äußere Verkleidungsschicht 14 auf
der Metallschaum-Schicht 12 abgeschieden.
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Bevorzugt
beinhaltet der Imprägnierungsschritt,
der die offenzellige Metallschaum-Kernschicht 12 erzeugt,
dass das Kohlenstoffschaum-Substrat Nickeldampf ausgesetzt wird
und daher der Kohlenstoffschaum mit einer dünnen Schicht aus Nickelplattierung
beschichtet wird. Da reines Nickel eine relativ geringe Hochtemperaturbeständigkeit
hat, können
Nickellegierungen durch weiteres Beschichten des Nickelmetall-Schaumkerns mit
Aluminium durch weitere Metall dampf-Abscheidung gebildet werden.
Danach können
die Nickel- und Aluminiumschichten zur Reaktion gebracht werden,
um einen Nickelaluminid-Metallschaum-Kern zu bilden, beispielsweise indem
die Zusammenstellung hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
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Die
innere und die äußere Verkleidungsschicht 12 und 13 werden
durch Spritzbeschichtung in Schichten von Dicken unter 0,020 inch
aufgetragen, um eine leichtgewichtige Verbund-Sandwichwand mit einem
hohen Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht herzustellen. In ausgewählten Bereichen können dickere
Wände erzeugt
werden, um nötigenfalls
die Festigkeit zu erhöhen.
Maskieren ausgewählter
Bereiche vor der Spritzaufbringung kann Gasströmungs-Einlassdurchgänge 15 in
Verbindung mit dem gasdurchlässigen
Metallschaum-Kern 12 und Gasströmungs-Auslassdurchgänge 16 in Verbindung
mit dem Metallschaum-Kern 12 ausbilden. Wie in 2 gezeigt
ist, führt
die Anzahl von Durchgängen 15 und 16,
die an der inneren und der äußeren Verkleidungsschicht 13 und 14 angebracht
sind, eine Kühlgas-Strömung aus
der Kammer 3, die der äußeren Schicht 14 benachbart
ist, durch einen äußeren Durchgang 15,
durch den Metallschaumkern 12 zwischen der inneren und
der äußeren Schicht 13 und 14,
und tritt durch den Auslassdurchgang 16, der in der inneren
Schicht 13 ausgebildet ist, aus.
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Es
ist offenkundig, dass die Einlassdurchgänge und Auslassdurchgänge 15, 16 durch
Maskieren vor der Spritzaufbringung erzeugt werden können oder
alternativ nach der Spritzaufbringung in die fertiggestellten Oberflächen 13 und 14 gebohrt
oder maschinell eingearbeitet werden können. Das Kohlenstoffkern-Substrat
kann vor der Dampfabscheidung durch maschinelle Bearbeitung in seine
Form gebracht werden, oder der Metallschaum-Kern 13 kann
nach der Metalldampf-Abscheidung und vor der Spritzaufbringung der
inneren und der äußeren Verkleidungsschichten 13 und 14 maschinell
bearbeitet werden.
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Die
obige Beschreibung betrifft zwar eine spezifische bevorzugte Ausführungsform,
wie sie gegenwärtig
vom Erfinder ins Auge gefasst wird, aber es versteht sich, dass
die Erfindung in ihrem breiten Aspekt mechanische und funktionelle Äquivalente der
hierin beschriebenen Elemente umfasst.