DE60307379T2 - Ausfallsichere filmgekühlte Wand - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere die Kühlung darin.
  • In einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und mit Brennstoff in einer Brennkammer vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, welche stromab durch Turbinen strömen. Eine Hochdruckturbine (HPT) nimmt zuerst die heißen Gase aus der Brennkammer auf, um ihnen Energie zu entziehen, um den Verdichter über eine entsprechende dazwischen liegende Antriebswelle anzutreiben. Eine Niederdruckturbine (LPT) folgt der HPT und entzieht den Verbrennungsgasen zusätzliche Energie, um typischerweise einen Bläser in einer Turbobläser-Gasturbinen-Flugzeugtriebwerksanwendung zu entziehen. Die LPT kann in Triebwerksanwendungen im Industrie- und Schiffsbereich anderweitig zum Antreiben einer externen Antriebswelle verwendet werden.
  • Um eine geeignet lange Betriebslebensdauer des Triebwerkes sicherzustellen, werden die verschiedenen Brennkammer- und Turbinenkomponenten, die direkt den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, typischerweise während des Betriebs gekühlt, indem ein Teil der Verdichterluft für deren Kühlung abgezweigt wird. Die Kühlung in einem Gasturbinentriebwerk ist unübersichtlich und ziemlich kompliziert und nutzt verschiedene Formen von Löchern, um die Kühlluft nach Bedarf für die verschiedenen Turbinenkomponenten zu führen, die eine Kühlung erfordern.
  • Beispielsweise sind Filmkühlungslöcher in Gasturbinentriebwerken üblich und weisen verschiedene Konfigurationen auf, die typischerweise durch die zu kühlende Wand hindurch geneigt sind, und weisen ein Einlass zur Aufnahme der Verdichterluft und ein Auslass zur Ausgabe dieser Luft auf, um einen dünnen Film oder eine Grenzschicht aus Luft zu erzeugen, die die Wand thermisch vor den darüber strömenden heißen Verbrennungsgasen isoliert. Die durch die Löcher geführte Luft erzeugt eine interne Konvektionskühlung der Komponentenwand, während der auf der Außenoberfläche der Wand erzeugte Film eine thermische Isolationsbarriere bewirkt.
  • Ferner ist es üblich, in ausgewählten Bereichen verschiedener Triebwerkskomponenten eine Wärmebarrierenbeschichtung (TBC – Thermal Barrier Coating)) vorzusehen, um eine zusätzliche Wärmeisolation zum Begrenzen der Temperatur der zu schützenden darunterliegenden Metall- oder Substratwand zu schaffen.
  • Brennkammereinsätze und Turbinenkomponenten werden aus verschiedenen Superlegierungsmetallen mit erhöhter Festigkeit bei den in einem Gasturbinentriebwerk erfahrenen hohen Betriebstemperaturen hergestellt. Der Betriebswirkungsgrad des Triebwerks wird durch Maximierung der Temperatur der darin erzeugten Verbrennungsgase maximiert, wobei aber diese Temperatur durch die Fähigkeit beschränkt ist, alle Triebwerkskomponenten entlang des Strömungspfades der heißen Verbrennungsgase in geeigneter Weise zu kühlen.
  • Die Kühlungsauslegung in einem Gasturbinentriebwerk ist komplexer, da das Triebwerk über verschiedene Leistungspegel einschließlich eines Dauerzustands- und Übergangsbetriebs be trieben wird, in welchem sich die Temperatur dementsprechend verändert. Außerdem variieren die Verbrennungsgase abhängig von der Position in der Temperatur und entsprechen sich verändernden Wärmeübertragungsbelastungen in die unterschiedlich geformten Triebwerkskomponenten.
  • Beispielsweise enthält die typische Brennkammer in einem Turbobläser-Gasturbinentriebwerk einen ringförmigen Dom mit mehreren um den Umfang in Abstand angeordneten Vergasern, in welchen Brennstoffeinspritzdüsen in entsprechenden Luftverwirblern montiert sind. Ein Brennstoff/Luft-Gemisch wird von jedem Vergaser ausgegeben und zum Erzeugen der heißen Verbrennungsgase gezündet, welche dementsprechend eine Temperaturveränderung um den Umfang der Brennkammer herum bewirken. Jeder Vergaser erzeugt daher eine lokale heiße Schliere aus Verbrennungsgasen, deren Umfangsvariation an dem Auslassende der Brennkammer reduziert ist, wobei jedoch eine derartige Umfangsvariation der Verbrennungsgastemperaturen trotzdem existiert.
  • Die verschiedenen Triebwerkskomponenten müssen daher selbst dann für eine geeignete Kühlung der heißesten erwarteten Verbrennungsgasttemperaturen ausgelegt werden, wenn diese Komponenten normalerweise mit einem Verbrennungsgas niedrigerer Temperatur arbeiten. Der Gesamtwirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks ist daher durch die Notwendigkeit eingeschränkt, für jede Komponente unabhängig von der Variation des Kühlluftbedarfs eine nominelle Kühlluftmenge zu liefern.
  • US 6,039,537 offenbart eine Strömungspfadwand einer Turbine zum Einschließen heißer Verbrennungsgase.
  • Demzufolge ist es erwünscht, eine Strömungspfadwand in einem Gasturbinentriebwerk mit verbesserten Kühlungseigenschaften darin zu schaffen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Strömungspfadwand einer Turbine zum Einschließen heißer Verbrennungsgase geschaffen, die aufweist:
    gegenüberliegende äußere und innere Oberflächen;
    mehrere schräge ausfallsichere Filmkühlungslöcher, die sich dazwischen erstrecken, wobei jedes Loch einen offenen Einlass an der Innenoberfläche zur Aufnahme von Kühlluft und einen Auslass an der Außenoberfläche enthält;
    eine die Außenoberfläche abdeckende Haftbeschichtung und eine mit der Außenoberfläche verbundene Wärmebarrierenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Haftbeschichtung in die Löcher um die Auslässe herum erstreckt, wobei die Lochauslässe die Haftbeschichtung durchbrechen; und
    dass die mit der Außenoberfläche verbundene Wärmebarrierenbeschichtung Löcher dort blind überdeckt und die Haftbeschichtung um die Lochauslässe herum überbrückt.
  • Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Verwenden der Strömungspfadwand einer Turbine mit den Schritten der Leitung der heißen Verbrennungsgase über die Wärmebarrierenbeschichtung; Leiten von Kühlluft über die Innenoberfläche und in die Blindlöcher; und Überschreiten der Temperaturfestigkeit der Wärmebarrierenbeschichtung, um deren Abplatzen zum Öffnen der Lochauslässe zu bewirken und einen Filmkühlungsluftstrom durch die offenen Löcher zu ermöglichen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Strömungspfadwand zum Einschließen heißer Verbrennungsgase in einem Gasturbinentriebwerk geschaffen. Die Wand enthält gegenüberliegende Außen- und Innenoberflächen und mehrere sich dazwischen erstreckende Kühllöcher. Eine Wärmebarrierenbeschichtung ist mit der Außenoberfläche verbunden und überdeckt die dort befindlichen Löcher.
  • Die Erfindung gemäß bevorzugten und exemplarischen Ausführungsformen wird zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen insbesondere in der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine Teilschnitt-Axialansicht des Auslassendes einer Brennkammer und der Turbine in einem exemplarischen Flugzeug-Turbobläser-Gasturbinentriebwerk gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • 2 eine isometrische Ansicht eines Abschnittes einer Turbinendüse der in 1 dargestellten ersten Stufe ist.
  • 3 eine isometrische Ansicht einer Turbinenrotorlaufschaufel der in 1 dargestellten ersten Stufe ist.
  • 4 eine axiale Schnittansicht durch einen in 1 dargestellten Turbinenmantel ist.
  • 5 eine isometrische Teilschnittansicht eines Abschnittes der in 2 dargestellten Turbinendüse ist.
  • 6 eine vergrößerte Schnittansicht durch das Innenband der in 5 dargestellten Düse und entlang der Linie 6-6 ist, welche eine vergrößerte Ansicht des Auslassendes von einem der verschiedenen ausfallsicheren blinden Filmkühlungslöcher ist, die darin gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.
  • In 1 ist ein Abschnitt eines exemplarischen Turbobläser-Gasturbinentriebwerks 10 dargestellt, welcher axialsymmetrisch um eine Längs- oder Axial- oder Mittellinienachse ist. Das Triebwerk enthält einen mehrstufigen axialen Verdichter 12, welcher Luft 14 während des Betriebs unter Druck setzt. Die Verdichterausgabeluft wird dann einer ringförmigen Brennkammer zugeführt, die in einem hinteren Teil dargestellt ist, welche radial innere und äußere Brennkammereinsätze 16 enthält, die miteinander an einem (nicht dargestellten) stromaufseitigen Domende verbunden sind. Der Brennkammerdom enthält eine Reihe (nicht dargestellter) Vergaser, welche Brennstoff mit der unter Druck gesetzten Luft vermischen, um heiße Verbrennungsgase 18 während des Betriebs zu erzeugen.
  • Die Verbrennungsgase werden stromabwärts durch Hoch- und Niederdruckturbinen geführt, welche jeweils für den Antrieb des Verdichters und eines (nicht dargestellten) stromaufseitigen Bläsers in einer typischen Turbobläser-Flugzeugtriebwerksanwendung eingesetzt werden.
  • Die Hochdruckturbine enthält eine Hochdruckturbinen-Statordüse 20, die an dem Auslass der Brennkammer angeordnet ist. Eine exemplarische Ausführungsform der Düse 20 ist detaillierter in 2 dargestellt und enthält radial äußere und innere Bänder 22, 24, die eine Reihe von Statorleitschaufeln 26 der Düse lagern.
  • Die einzelnen Leitschaufeln weisen Schaufelblattformen mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten auf, die sich axial zwischen Vorder- und Hinterkanten erstrecken. Die Schaufelblätter sind typischerweise hohl und nehmen einen Teil der Verdichterluft 14 durch die äußeren und inneren Bänder zur Führung von Kühlluft darin auf. Die Kühlluft wird in einer geeigneten Weise auch zum Kühlen der äußeren und inneren Bänder verwendet.
  • Gemäß Darstellung in 1 werden die Verbrennungsgase durch die Düse 20 stromabwärts geführt, um an einer Reihe von Rotorlaufschaufeln 28 einer ersten Stufe, die sich radial aus einer Lagerungsscheibe in der HPT nach außen erstrecken, in anzugreifen. Die Turbinenlaufschaufeln 28 sind detaillierter in 3 dargestellt und weisen entsprechende gegenüberliegende Druck- und Saugseiten auf, die sich zwischen Vorder- und Hinterkanten erstrecken und typischerweise hohl sind, um einen weiteren Anteil der Verdichterluft 14 darin für ihre Kühlung während des Betriebs aufzunehmen.
  • 1 stellt auch einen die Spitzen der Rotorlaufschaufeln 28 umgebenden Turbinenmantel 30 dar, um einen schmalen radialen Spalt dazwischen zu schaffen. 4 stellt detaillierter eine exemplarische Form des über den Blattspitzen angeordneten Turbinenmantel 30 dar, wobei der Turbinenmantel in einer beliebigen geeigneten Weise unter Verwendung eines anderen Teils der Verdichterluft 14 gekühlt wird.
  • Die Rotorblätter 28 der in 1 dargestellten ersten Stufe entziehen den heißen Verbrennungsgasen Energie, um die lagernde Scheibe zu drehen und wiederum den Verdichter anzutreiben. Die Verbrennungsgase werden dann in eine stromabseitige Turbinendüse 32 einer zweiten Stufe abgegeben, um wiederum durch weitere (nicht dargestellte) zusätzliche Turbinenstufen in einer beliebigen geeigneten Konfiguration zu strömen.
  • Gemäß Darstellung in 1 werden die heißen Verbrennungsgase 18 innerhalb der Brennkammer erzeugt, und durch deren Einsätze für einen Abwärtsstrom durch die verschiedenen Turbinenkomponenten eingeschlossen. Jede von den stromabseitigen Turbinenkomponenten enthält dünne Wände, entlang welchen die Verbrennungsgase während des Betriebs strömen, die gegen die Hitze dieser Verbrennungsgase geschützt werden müssen.
  • Die verschiedenen Turbinenwandkomponenten sind aus verschiedenen Superlegierungsmaterialien mit hoher Festigkeit bei erhöhten Temperaturen für die Gasturbinentriebwerksumgebung ausgebildet. Trotzdem müssen die einzelnen Turbinenwände in geeigneter Weise während des Betriebs gekühlt werden, um deren geeignete Betriebslebensdauer im längeren Triebwerksbetrieb sicherzustellen.
  • 1-5 stellen diese exemplarischen Komponenten des Gasturbinentriebwerks dar, von denen alle verschiedene Muster und Reihen von herkömmlichen Filmkühlungslöchern 34 enthalten können. Filmkühlungslöcher haben verschiedene Konfigurationen und sind typischerweise zylindrische Öffnungen, die sich durch die Wände in flachen Neigungswinkeln von etwa 20° bis etwa 45° erstrecken und im Durchmesser von etwa 0,25 bis 1,0 mm (10 bis 40 mils) reichen.
  • Beispielsweise können die in 1 dargestellten Brennkammereinsätze verschiedene Reihen von Filmkühlungslöchern 34 aufweisen, um einen Mantels aus Kühlluft zum Schützen der freiliegenden Oberflächen der Einsätze gegen die heißen Verbrennungsgase, die darüber strömen können, zu erzeugen. In den 1 und 2 können die äußeren und inneren Bänder 22, 24 in den Leitschaufeln 26 der Turbinendüse verschiedene Muster von Filmkühlungslöchern 34 enthalten, um Luftisolationsschichten über deren Oberflächen zu erzeugen, die den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind.
  • 3 stellt dar, dass die Rotorblätter 28 verschiedene Reihen von Filmkühlungslöchern 34 auf den ausgesetzten Druck- und Saugseitenoberflächen der Laufschaufel sowie nach Wunsch in der Lauf schaufelspitze enthalten können. Und 4 stellt die Verwendung von zusätzlichen Filmkühlungslöchern 34 in dem Turbinenmantel 30 zum Schutz von deren ausgesetzten Oberflächen dar, entlang welchen die heißen Verbrennungsgase während des Betriebs strömen.
  • Filmkühlungslöcher bewirken eine Kühlung, indem sie die Kühlluft durch die entsprechenden Wände der verschiedenen Komponenten führen, welche die Metallkomponenten sowohl in intern als auch auf deren Luftseiten kühlt. Und die Ausgabe aus den Filmkühlungslöchern erzeugt einen dünnen Film oder Mantel aus Luft auf den ausgesetzten Außenoberflächen der Komponenten zusammen mit dem Strom der heißen Verbrennungsgase. Die Luftfilme erzeugen somit einen thermisch isolierenden Mantel, um zusätzlich die verschiedenen Turbinenwände vor den heißen Verbrennungsgasen zu schützen.
  • Wie vorstehend angegeben, werden die Filmkühlungslöcher selektiv in die verschiedenen Turbinenkomponenten nach Bedarf eingebracht, um den erwarteten Wärmebelastungen aus dem anstehenden Verbrennungsgasstrom zu entsprechen. Da die Wärmebelastungen während des Betriebs variieren und Dauerzustands- und Übergangswerte enthalten, werden die verschiedenen Filmkühlungslöcher typischerweise mit einer ausreichenden Kühlfähigkeit für die maximale erwartete Temperatur der Verbrennungsgase in allen möglichen Zuständen versehen. Demzufolge wird bei einem Betrieb bei weniger als der maximalen Verbrennungstemperatur überschüssige Kühlluft bereitgestellt, welche den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks verringert.
  • Eine weitere Steigerung im Triebwerkswirkungsgrad kann durch eine weitere spezifische Anpassung der Verwendung von Filmkühlungslöchern zur Reduzierung der dafür benötigten Luftmenge erzielt werden, ohne die Möglichkeit einer unerwünscht hohen lokalen Temperatur der Triebwerkskomponenten zu erhöhen.
  • Jede einzelne von den verschiedenen vorstehend offenbarten Gasturbinentriebwerkskomponenten, welche typischerweise herkömmliche Filmkühlungslöcher 34 verwendet, kann modifiziert werden, um deren selektive Kühlung einzuführen, um die Notwendigkeit von Kühlluft dafür zu reduzieren. 5 stellt eine exemplarische Strömungspfadwand eines Gasturbinentriebwerks dar, die in einem Abschnitt des Innendüsenbandes 24 zu finden ist, welche eine verbesserte Kühlkonfiguration gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Wie es hierin nachstehend weiter beschrieben wird, kann die Strömungspfadwand 36 in jeder der verschiedenen Komponenten des Triebwerks enthalten sein, über welche heiße Verbrennungsgase während des Betriebs strömen.
  • Die exemplarische Strömungspfadwand 36 der Turbine ist detaillierter in 6 dargestellt. Die Wand selbst kann jede geeignete Dicke nach Wunsch für ihren gedachten Einsatz in den verschiedenen Komponenten des Gasturbinentriebwerks aufweisen und wird typischerweise aus üblicherweise in Gasturbinen zu findenden herkömmlichen Superlegierungsmetallen gebildet. Die Wand besitzt eine Außenoberfläche 38, über welche die heißen Verbrennungsgase 18 während des Betriebs strömen und eine gegenüberliegende Innenwand 40, entlang welcher die Kühlluft 14 durch den Verdichter bereitgestellt werden kann.
  • Die Wand enthält mehrere schräge ausfallsichere Filmkühlungslöcher 42, die sich zwischen den Außen- und Innenoberflächen erstrecken. Die ausfallsicheren Löcher 42 können im Aufbau zu den typischen Filmkühlungslöchern 34, welche ebenfalls in dem Triebwerk verwendet werden, identisch sein und können in jedem geeigneten Wert beispielsweise etwa 20° bis 40° geneigt sein, wobei die Innendurchmesser innerhalb desselben Bereichs wie diejenigen für die Filmkühlungslöcher 34 liegen. Jedes ausfallsichere Loch 42 enthält einen offenen Einlass 44 an der Wandinnenoberfläche 40 für die Aufnahme der Kühlluft 14 dort und einen gegenüberliegenden Auslass 46, der an der Außenoberfläche 38 angeordnet ist.
  • Die Strömungspfadwand 36 enthält ferner eine Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) 48, die mit der Wandaußenoberfläche 38 verbunden ist, um geschlossene oder blinde ausfallsichere Löcher 42 entlang der Außenoberfläche zu überdecken. Die Wärmebarrierenbeschichtung kann jede beliebige herkömmliche Zusammensetzung aufweisen, wie sie in Gasturbinentriebwerken zu finden ist, und kann beispielsweise mit yttrium-stabilisiertes Zirkon (YSZ) oder ZrO2Y2O3 sein und kann in herkömmlicher Weise auf die verschiedenen Turbinenkomponenten, wie z.B. den in 2 dargestellten, unter Anwendung von Plasmadampfabscheidung oder Luftplasmasprühen abgeschieden werden.
  • Auf diese Weise erzeugt die Wärmebarrierenbeschichtung 48 eine Wärmeisolierung gegenüber den heißen Verbrennungsgasen 18 während des Betriebs, verschließt aber auch die Auslassenden der ausfallsicheren Löcher 42, was Blindlöcher bewirkt, die nur an ihren Einlassenden 44 offen sind.
  • Gemäß Darstellung in 6 ist jedes von den Blindlöchern 42 bevorzugt zwischen seinen Einlass- und Auslassenden hohl, im Wesentlichen dazwischen unverschlossen und nur an dem Lochauslass verschlossen oder überdeckt. Auf diese Weise enthält die Wand einen vergrößerten internen Oberflächenbereich aufgrund der Blindlöcher 42 selbst, während die Wärmebarrierenbeschichtung 48 deren Außenoberfläche schützt. Und, was besonders wichtig ist, die Wärmebarrierenbeschichtung verschließt die Blindlöcher, um die Ausgabe der Kühlluft durch die Blindlöcher zu verhindern, was dementsprechend die Menge an benötigter Kühlluft während des Betriebs verringert.
  • In einem Verfahren zur Verwendung der in 5 und 6 dargestellten ausfallsicheren Filmkühlungslöcher 42 werden die Verbrennungsgase 18 über die Wärmebarrierenbeschichtung 48 während des Betriebs geführt und die Kühlluft 14 über die Innenoberfläche 40 der Strömungspfadwand für dessen Kühlung geführt, und strömt auch, wie es durch ihre Einlässe zugelassen wird, in die Blindlöcher 42. Dann können während des Betriebs lokale Bereiche der Verbrennungsgase 18 die Temperaturbeständigkeit der Wärmebarrierenbeschichtung überschreiten, um schließlich deren Abplatzen zu bewirken, wobei Plättchen 50 der Wärmebarrierenbeschichtung unter Abplatzen frei gesetzt werden und die ursprünglich verschlossenen Auslässe 46 der ausfallsicheren Löcher 42 öffnen.
  • Die geöffneten ausfallsicheren Löcher können dann in der herkömmlichen Weise als Filmkühlungslöcher arbeiten und ermöglichen einen Filmkühlungsluftstrom dadurch, um eine verbesserte Kühlung der wand einschließlich der Ausbildung eines Kühlluftfilms über der Außenoberfläche 38 der Wand in der Nähe der Abplatzung zu erzeugen.
  • Demzufolge können die ausfallsicheren Filmkühlungslöcher in Bereichen mit hohem Risiko einer Wärmebarrierenbeschichtungsabplatzung angeordnet sein und erlauben keinen Kühlungsstrom durch die Löcher bis die Wärmebarrierenbeschichtung durch Abplatzung erodiert ist, um die Auslassöffnung der Löcher zu öffnen. Der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks kann erhöht werden, indem die Notwendigkeit für einen Filmkühlungsstrom durch die ausfallsicheren Löcher 42 während des Normalbetriebs des Triebwerks beseitigt wird und sich trotzdem in dem Falle einer Wärmebarrierenbeschichtungsabplatzung die ausfallsicheren Löcher öffnen, um eine zusätzliche Filmkühlung zu schaffen, um den Verlust der erodierten Wärmebarrierenbeschichtung zu kompensieren.
  • Der Turbinenströmungspfad wird dann mit einer verbesserten Kühlung aus den offenen ausfallsicheren Löchern versorgt, um das Risiko ihres vorzeitigen Ausfalls zu reduzieren, jedoch auf Kosten der Verwendung von zusätzlicher Kühlluft, welche dann den Triebwerkswirkungsgrad verringert. Jedoch kann während eines normalen Wartungsvorgangs jede Turbinenkomponente mit ausgefallener Wärmebarrierenbeschichtung, welche die ausfallsicheren Löcher freilegt, dann repariert oder nach Wunsch für eine fortgesetzte Nutzung des Triebwerks im Dienstbetrieb ersetzt werden.
  • In der in 6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform überdeckt eine Haftschicht 52 zuerst die Wandaußenoberfläche 38 in dem Bereich der ausfallsicheren Löcher, um die Haftung der Wärmebarrierenbeschichtung darauf zu verbessern. Die Haftschicht 52 ist typischerweise relativ dünn und kann jede herkömmliche Zusammensetzung zur Verwendung mit der spezifischen Zusammensetzung der gewünschten Wärmebarrierenbeschichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Haftschicht Platinaluminid (PtAl) aufweisen.
  • Wie es in der vergrößerten Ansicht in 6 dargestellt ist, weisen die einzelnen ausfallsicheren Löcher 42 relativ große Durchmesser von etwa 0,25 bis 1,0 mm zur Verwendung als Filmkühlungslöcher auf, wenn diese freigelegt sind. Die Haftschicht 52 ist relativ dünn, wobei der Lochauslass 46 die Haftschicht in einer typischen Konfiguration durchdringt. Die Wärmebarrierenbeschichtung 48 ist wesentlich dicker als die Haftschicht und überbrückt den Lochauslass 46, um den Auslass zu verschließen und um das ausfallsichere Loch zu einem Blindkanal zu machen, der nur an seinem Einlass 44 offen ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform sollten die Lochauslässe 46 nur minimal entweder mit der Haftschicht oder der Wärmebarrierenbeschichtung verschlossen sein, so dass das Abplatzen der Wärmebarrierenbeschichtung sofort den Lochauslass für die Ausgabe der Kühlluft öffnet. Es ist nicht erwünscht, dass die Wärmebarrierenbeschichtung das Auslassende der ausfallsicheren Löcher zu sehr darin verschließt, was deren Öffnung nach der Abplatzung der Wärmebarrierenbeschichtung wäh rend deren Betrieb bei lokal zu hoher Temperatur verhindern würde.
  • Die vorstehend beschriebenen ausfallsicheren Löcher 42 können in jeder von den verschiedenen beschriebenen Strömungspfadkomponenten des Gasturbinentriebwerks für deren lokal selektiv verbesserte Kühlung verwendet werden. Unterschiedliche Komponenten weisen unterschiedlichen Kühlungsanforderungen auf, wobei jede Komponente typischerweise einen oder mehrere lokale Bereiche aufweist, die einem Betrieb bei maximaler Temperatur unterworfen sind. Die ausfallsicheren Löcher können daher selektiv angeordnet werden, um gewünschten Bereichen eines Betriebs bei Maximaltemperatur oder mit hohem Risiko einer Abplatzung der Wärmebarrierenbeschichtung zu entsprechen.
  • Wärmebarrierenbeschichtungen finden eine zunehmende Verwendung in Gasturbinentriebwerken, da die Betriebstemperatur zur Erhöhung des Wirkungsgrades zunimmt. Wärmebarrierenbeschichtungen können mit und ohne herkömmliche Filmkühlungslöcher verwendet werden, aber in jedem Beispiel können die ausfallsicheren Filmkühlungslöcher nun damit eingeführt werden, um für ein verbessertes Verhalten im Falle einer Abplatzung der Wärmebarrierenbeschichtung während des Betriebs zu sorgen. Die ausfallsicheren Löcher werden deshalb aufgedeckt, sobald die Wärmebarrierenbeschichtung abplatzt und es wird dann eine Reservefilmkühlung ausgelöst, um den Verlust der zuvor durch die Wärmebarrierenbeschichtung bewirkten Kühlung zu kompensieren.
  • In der vorstehend beschriebenen in den 2, 5 und 6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform liegt die Strömungspfadwand 36 in der Form entweder des Turbinendüsen- Innenbandes 24 oder des entsprechenden Außenbandes 22 zum Einführen der ausfallsicheren Filmkühlungslöcher 42 darin vor. Die ausfallsicheren Löcher können nur in den Bändern verwendet werden oder können in den in diesen Figuren dargestellten exemplarischen Ausführungsform an ein weiteres Muster der sich in den Strömungspfadwand erstreckenden typischen offenen Filmkühlungslöcher 34 angrenzen.
  • Die normalerweise geschlossenen ausfallsicheren Löcher 42 können in beliebigen gewünschten Mustern mit den normalen offenen Filmkühlungslöchern 34 integriert werden. Die Wärmebarrierenbeschichtung verschließt die ausfallsicheren Löcher 42 während des normalen Betriebs und kann sich über die Abschnitte der Turbinenwand hinweg erstrecken, welche die offenen Filmkühlungslöcher 34 enthält, welche normalerweise durch die darüber aufgebrachte Wärmebarrierenbeschichtung hindurch offen sind.
  • In 1 liegt eine der Strömungspfadwände in der Form des Brennkammereinsatzes 16 mit einem selektiven Muster der durch die Wärmebarrierenbeschichtung 48 überdeckten ausfallsicheren Löcher 42 und bevorzugt angrenzend an ein weiteres Muster der sich dadurch hindurch erstreckenden offenen Filmkühlungslöcher 34 vor. Wie vorstehend angegeben, unterliegt die Brennkammer heißen Schlieren aus ihren entsprechenden Vergasern, und die ausfallsicheren Löcher 42 und die abdeckende Wärmebarrierenbeschichtung können axial zu den entsprechenden Vergasern ausgerichtet sein, um eine zusätzliche Kühlung entlang den Axialströmungspfaden der heißen Schlieren zu erzeugen.
  • In den 2 und 3 sind die Statorleitschaufeln 26 und die Rotorlaufschaufeln 28 hohle Schaufelblätter, welche typi scherweise die normalen Filmkühlungslöcher 34 enthalten. Trotzdem können beide Arten von Schaufelblättern auch die ausfallsicheren Löcher 42 enthalten, die durch die Wärmebarrierenbeschichtung 48 an jeder beliebigen Stelle davon und in selektiven Mustern nach Wunsch überdeckt sind, um einen zusätzlichen Schutz in Bereichen mit maximaler Wärmebelastung vor den Verbrennungsgasen zu schaffen.
  • Ferner ist die in 3 dargestellte Schaufelblattspitze besonders hohen Wärmebelastungen aus dem Verbrennungsgasstrom darüber während des Betriebs ausgesetzt und kann daher die ausfallsicheren Löcher 42 enthalten, welche durch die Wärmebarrierenbeschichtung 48 überdeckt sind.
  • In 4 kann der Turbinenmantel 30 ebenfalls die ausfallsicheren Löcher 42 überdeckt durch die Wärmebarrierenbeschichtung 48 in selektivern Mustern mit oder ohne die normalen Filmkühlungslöcher 34, welche darin vorgesehen sein können, enthalten.
  • Die vorstehend offenbarten verschiedenen Ausführungsformen sind bei der Verwendung relativ dünner Strömungspfadwände mit einer Außenoberfläche, über welche die Verbrennungsgase während des Betriebs strömen, und mit einer Innenoberfläche, die mit aus dem Verdichter abgezweigter Kühlluft versorgt wird, üblich. Die ausfallsicheren Filmkühlungslöcher 42 können jede herkömmliche Konfiguration in den Formen der Strömungspfadwände nach Wunsch für deren speziellen Anwendungen in dem Triebwerk aufweisen und werden einfach durch die Wärmebarrierenbeschichtung zum Verschließen ihrer Enden überdeckt.
  • Die Wärmebarrierenbeschichtung stellt daher eine Wärmeisolation während des Betriebs für den Schutz der entsprechenden Strömungspfadwand vor den heißen Verbrennungsgasen bereit, während sie gleichzeitig die Notwendigkeit für eine Durchtritts-Filmkühlungsluftströmung in den ausgewählten Stellen erübrigt. Nur in dem Falle des Abplatzens der Wärmebarrierenbeschichtung aufgrund lokal zu hoher Temperatur werden die ausfallsicheren Kühllöcher vollständig geöffnet, um die Kühlluft dadurch hindurch zu führen und um einen Schutzmantel aus Kühlluft zu erzeugen, um die durch die Abplatzung der Wärmebarrierenbeschichtung verlorengegangene Isolation zu ersetzen. Die darunterliegende Strömungspfadwand wird daher geschützt und stellt einen effektiven Betrieb des Triebwerks bis zu dem nächsten Wartungsereignis sicher, in welchem die beschädigte Komponente repariert oder ersetzt wird.

Claims (7)

  1. Strömungspfadwand (36) einer Turbine zum Einschließen heißer Verbrennungsgase (18), aufweisend: gegenüberliegende äußere und innere Oberflächen (38, 40); mehrere schräge ausfallsichere Filmkühlungslöcher (42), die sich dazwischen erstrecken, wobei jedes Loch einen offenen Einlass (44) an der Innenoberfläche zur Aufnahme von Kühlluft und einen Auslass (46) an der Außenoberfläche (38) enthält; eine die Außenoberfläche abdeckende Haftbeschichtung (52) und eine mit der Außenoberfläche verbundene Wärmebarrierenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Haftbeschichtung in die Löcher um die Auslässe herum erstreckt, wobei die Lochauslässe die Haftbeschichtung durchbrechen; und dadurch, dass die mit der Außenoberfläche verbundene Wärmebarrierenbeschichtung (48) Löcher dort blind überdeckt und die Haftbeschichtung um die Lochauslässe herum überbrückt.
  2. Wand nach Anspruch 1, wobei die Wärmebarrierenbeschichtung dicker als die Haftbeschichtung ist.
  3. Wand nach Anspruch 2, wobei die Haftbeschichtung die Löcher an ihren Auslässen auskleidet und die Wärmebarrie renbeschichtung in einer sich darüber hinweg ersteckenden Brücke festhält.
  4. Wand nach Anspruch 3, wobei jedes von den Blindlöchern zwischen dem Einlass (44) und dem Auslass (46) hohl ist.
  5. Brennkammereinsatz, Turbinendüsenband, Schaufelblatt oder Turbinenmantel mit einer Wand gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wand ein Muster von den Blindlöchern aufweist, das an ein weiteres Muster von sich dadurch hindurch erstreckenden offenen Filmkühlungslöchern angrenzt.
  6. Verfahren zum Verwenden der Strömungspfadwand (36) einer Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit den Schritten: Leiten der heißen Verbrennungsgase über die Wärmebarrierenbeschichtung (48); Leiten von Kühlluft (16) über die Innenoberfläche (40) und in die Blindlöcher (42); und Überschreiten der Temperaturfestigkeit der Wärmebarrierenbeschichtung, um deren Abplatzen zum Öffnen der Lochauslässe (46) zu bewirken und einen Filmkühlungsluftstrom durch die offenen Löcher zu ermöglichen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt der Nutzung der ausfallsicheren Filmkühlungslöcher und zusätzlicher an gegenüberliegenden Enden offener Filmkühlungslöcher in Verbindung damit.
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