TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen
auf ein Verfahren zum Herabsetzen der Warmkorrosion in
Bauteilen für Gasturbinentriebwerke und, insbesondere auf ein
Verfahren zum Erhöhen des Sauerstoffpotentials in Hohlräumen
von vorsetzlich ungekühlten Bauteilen für
Gasturbinentriebwerke, und die vorliegende Erfindung betrifft
ebenfalls einen hohlen, ungekühlten Gasturbinenbauteil zum
Durchführen dieses Verfahrens.
HINTERGRUNDINFORMATION
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Kritische Bauteile in einem Gasturbinentriebwerk,
welche mit dem Gas in Berührung kommen, sind Laufschaufeln
und Statorschaufeln. Stationäre Schaufeln, welche sich
zwischen den Stufen der rotierenden Laufschaufeln in dem
Turbinenabschnitt des Triebwerkes befinden, leiten und
stabilisieren die Hochtemperaturgaströmung von einer Stufe
der rotierenden Laufschaufeln zu der folgenden Stufe.
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Hersteller von Gasturbinentriebwerken versuchen
kontinuierlich den Wirkungsgrad und den Betrieb der
Triebwerke zu verbessern. Die Anforderung für einen besseren
Wirkungsgrad bedeutet, dass die Gasturbinentriebwerke mit
zunehmend heisseren Gastemperaturen betrieben werden. Die
unmittelbare Umströmung durch dieses Hochtemperaturgas kann
bestimmte Turbinenflügelprofile nachteilig beeinflussen.
Dementsprechend wurden Kühleinrichtungen entwickelt, um die
Metalltemperatur, dieser Flügelprofile während dem
Hochtemperturbetrieb innerhalb der zulässigen Grenzen zu
halten. Die Kühlung der Flügelprofile wird üblicherweise
durch Filmkühlung durchgeführt. Bei der Filmkühlung wird
Kühlluft durch Löcher in der Flügelprofilwand geleitet, um
eine Isolationsschicht zwischen den heissen Gasen und der
Metallfläche zu bilden.
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Der Triebwerkswirkungsgrad wird auch verbessert durch
Herabsetzen des Triebwerksgewichtes. Es ist demnach üblich
hohle Flügelprofile zu benutzen, in Triebwerksbereichen, die
den hohen Gastemperaturen nicht ausgesetzt sind und
dementsprechend nicht gekühlt werden müssen.
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Typische, hohle, ungekühlte Flügelprofile werden in
der Niederdruckturbine der neuzeitlichen
Gasturbinentriebwerke angetroffen. Die hohlen Flügelprofile
sind an einem Ende offen und am gegenüberliegenden Ende
abgedichtet. Die Flügelprofile werden abgedichtet zum
Verhindern einer Gasströmung durch die Flügelprofile, da ein
Druckunterschied besteht, der eine Gaströmung durch die
Hohlräume hervorruft, falls die Flügelprofile nicht
abgedichtet sind. Dieses Gas, welches erhitzt ist, kann die
Lebensdauer der benachbarten Flügelprofile nachteilig
beeinflussen, und kann den Triebwerkswirkungsgrad vermindern.
Aus diesen Gründen ist es im Stand der Technik üblich, das
Flügelprofil entweder mit einem Sackhohlraum zu giessen oder
das Flügelprofil mit einem Durchgangshohlraum zu versehen,
und an einem Ende des Flügelprofils eine Abdichtung wie z. B.
eine Kappe oder eine Abdeckplatte anzuordnen.
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Diese vorsätzlich ungekühlten Flügelprofile werden
jedoch unter Temperaturen eingesetzt, bei welchen die
Flügelprofile extrem hohen Graden von Warmkorrosion
ausgesetzt sind. Die Warmkorrosion ist im wesentlichen eine
beschleunigte Oxydation, die bei verhältnismässig niedrigen
Temperaturen erfolgt zwischen etwa 2372C (1300ºF) und etwa
3272ºC (1800ºF). Umgebungsverunreinigungen auf der
metallischen Fläche des Flügelprofils, wie z. B. Schwefel,
Natrium, Vanadium und verwandte Verbindungen wie z. B.
Natriumsulfat, Natriumchlorid und Vanadiumpentoxid, werden
als Hauptbeiträger zur Warmkorrosion angesehen. Das Vorliegen
dieser Verunreinigungen auf der Fläche von Metalllegierungen
verhindert die Bildung einer schützenden Oxidschicht, die
sich normalerweise bilden würde bei Abwesenheit solcher
Verunreinigungen. Stattdessen wirken die Verunreinigungen als
Flussmittel, das jede Oxidschicht unterbricht, welche sich
normalerweise auf der Oberfläche bilden würde. Die
Abwesenheit der schützenden Schicht gestattet die
Sauerstoffdiffusion durch die angegriffene Oberflächenschicht
und verursacht eine unerwünschte unmittelbare und schnelle
Oxydation der darunterliegenden Legierung. Diese Oxydation
beeinflusst nachteilig sowohl die äusseren und inneren Teile
des Flügelprofils.
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Die Warmkorrosion kann minimiert werden durch die
Auftragung eines Schutzüberzugs. Es ist z. Zt. üblich
Schutzüberzüge sowohl auf die äusseren und inneren Wände der
ungekühlten Flügelprofile aufzutragen, welche der
Warmkorrosion ausgesetzt sind. Üblicherweise wird ein
Aluminiddiffusionsüberzug auf die äusseren, sowie auch auf
die inneren Wände der Flügelprofile aufgetragen.
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Dieses Verfahren verringert jedoch die Warmkorrosion
nur etwa um den Faktor 3. So wurde z. B. in einem Falle
festgestellt, dass hohle Schaufeln mit einem unbeschichteten,
inneren Hohlraum eine nutzbare Lebensdauer von etwa 5000 Std
hatten und dass die Lebensdauer bestimmt war durch die
Warmkorrosion, die in dem inneren Sackhohlraum der Schaufel
erfolgte. Nach dem Auftragen eines
Gasphasendiffusionsaluminidüberzugs stieg die nutzbare Lebensdauer der Schaufel
nur auf etwa 15000 Stunden (Faktor 3) an. Das Äussere der
Statorschaufel blieb jedoch im wesentlichen unbeeinflusst
durch die Warmkorrosion, mit oder ohne Überzug.
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Es besteht dementsprechend eine Notwendigkeit für ein
wirksames Verfahren und ein Gasturbinenbauteil zum
Herabsetzen der Warmkorrosion der inneren Wände von
absichtlich ungekühlten Bauteilen von Gasturbinentriebwerken.
ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
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Gemäss dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
wird zur Herabsetzung der Warmkorrosion in einem hohlen,
ungekühlten Gasturbinenbauteil der Sauerstoffgehalt in dem
hohlen Bauteil erhöht durch Hindurchleiten eines
sauerstoffhaltigen Gases durch den hohlen Bauteil.
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Ein hohler, ungekühlter Gasturbinenbauteil zum
Durchführen dieses Verfahrens hat ein Element zur
absichtlichen Strömungsverhütung, wie z. B. eine Abdichtung
an einem Ende des Bauteils und eine Öffnung ist in dem
Strömungsverhütungselement vorgesehen. Die Öffnung hat eine
Querschnittsfläche in dem Bereich von etwa 0,05% bis zu etwa
5,0% der mittleren Querschnittsfläche des Hohlraumes, damit
eine mässige Gaströmung durch den Hohlraum fliessen kann zur
Herabsetzung der Warmkorrosion ohne andere widrige
Auswirkungen hervorzurufen.
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Das Gas besteht hauptsächlich aus
Verbrennungsprodukten, welche einen wesentlichen Anteil von
freiem Sauerstoff enthalten. Es wurde gefunden, dass durch
eine Erhöhung des Sauerstoffpotenzials in den Hohlräumen das
Ausmass der Warmkorrosion wesentlich herabgesetzt werden
kann. Während dar übliche Querschnitt (in Radialrichtung)
eines Hohlraumes in einem Schaufelprofil in dem Bereich von
etwa 1,29 cm² (0,2 Quadratzoll) bis zu etwa 12,90 cm² (2,0
Quadratzoll) liegt, wird die sauerstoffhaltige Gasströmung
begrenzt durch Vorsehen von Öffnungen in der Abdichtung an
einen Ende des Schaufelprofils. Diese Öffnungen haben
vorzugsweise eine Querschnittsfläche von zwischen etwa 0,645
mm² (0,001 Quadratzoll) und etwa 64,5 mm² (0,1 Quadratzoll)
und vorzugsweise von 3,22 bis 32,2 mm² (0,005 bis 0,05
Quadratzoll).
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Die Erfindung wird im folgenden ausführlicher
erläutert mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen und die
dazugehörige Beschreibung des besten Ausführungsbeispieles.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 beschreibt eine schematische
Querschnittansicht eines neuzeitlichen
Flugzeuggasturbinentriebwerkes mit hohem Bypassverhältnis.
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Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch
eine Rotorschaufel und eine Statorschaufel in dem
Niederdruckturbinenabschnitt des Triebwerkes nach Fig. 1.
BESTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL ZUR DURCHFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Fig. 1 ist eine schematische Querschnittansicht
eines neuzeitlichen Turbofantriebwerkes mit hohem
Bypassverhältnis. Bei diesem Triebwerkstyp strömt Luft durch
das Triebwerk und wird dabei verdichtet, mit Kraftstoff
vermischt, verbrannt und in der Turbine expandiert, wobei
Energie aus dem verbrannten Gasgemisch herausgezogen wird.
Bezugnehmend nun auf die Fig. 1, die Luft strömt
nacheinander durch einen Gebläseabschnitt 1, einen
Niederdruckverdichterabschnitt 2, einen Hochdruckverdichter
3, eine Brennkammer 4, eine Hochdruckturbine 5, und eine
Niederdruckturbine 6.
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Die Erfindung betrifft die Rotorschaufeln und die
Statorschaufeln in dem Niederdruckturbinenabschnitt 6. In dem
Niederdruckturbinenabschnitt 6 sind die Gastemperaturen
ausreichend niedrig, und eine Kühlung der Rotorschaufeln und
der Statorschaufeln ist im Allgemeinen nicht notwendig.
Dementsprechend haben die Rotorschaufeln und die
Statorschaufeln keine absichtliche Luftströmung durch ihre
Innenhohlräume. Es ist aber üblich solche Rotorschaufeln und
Statorschaufeln mit einem Hohlraum zu versehen für die
Herabsetzung des Gewichtes anstatt für die Kühlung.
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Die Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht einer
stationären Statorschaufel 10 und der unmittelbar
stromabwärtsliegenden Rotorschaufel 11, die an einer Scheibe
12 für die Rotation befestigt ist. In dem Turbinenabschnitt
dehnt das Gas sich aus und hat dementsprechend eine höhere
Temperatur und einen höheren Druck an der Vorderkante 13 der
Statorschaufel 10 als an der Hinterkante 14 der
Statorschaufel 10. In gleicherweise ist die Temperatur und
der Druck an der Vorderkante 15 der Rotorschaufel 11 grösser
als die Temperatur und der Druck des Gases an der Hinterkante
16 der Rotorschaufel 11.
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Wie vorher erwähnt wird die Warmkorrosion im Innern
der Bauteile als ein wesentliches Problem in vielen
Gasturbinentriebwerken mit ungekühlten, hohlen Rotorschaufeln
und Statorschaufeln angesehen. Gemäss der vorliegenden
Erfindung wird eine wesentliche Herabsetzung der
Warmkorrosion in diesen Bauteilen erreicht, durch
Strömenlassen einer geringen Gasmenge durch das Innere der
hohlen, ungekühlten Rotorschaufeln und Statorschaufeln. Die
erzielte Herabsetzung der Warmkorrosion wird hauptsächlich
angesehen als eine Folge des erhöhten Sauerstoffpotentials im
Inneren der Rotorschaufeln und der Statorschaufeln und
möglicherweise auch als eine Folge der Mitführung einiger
Verunreinigungen in der Gasströmung beim Austritt aus der
Rotorschaufel oder Statorschaufel.
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Wie in Fig. 2 durch die Pfeile angedeutet, welche
die Ein- und Ausströmung in bzw aus den Hohlräumen der
Rotorschaufeln und der Statorschaufeln zeigen, ist die
allgemeine Treibkraft für die Gaströmung durch die hohlen
Rotorschaufeln und Statorschaufeln, der Druckunterschied, der
zwischen der Vorderkante und der Hinterkante dieser Bauteile
vorliegt. So zeigen z. B. in Fig. 2 die Pfeile 18 und 18'
die Luftströmungsrichtung für die Statorschaufel 10. Die Luft
tritt im allgemeinen in den Hohlraum der Statorschaufel 10
ein, unter einem Druck, der etwa dem Druck an der Vorderkante
dieser Statorschaufel entspricht und strömt aus unter einem
geringfügig niedrigeren Druck, der an der Hinterkante der
Statorschaufel 10 vorherrscht. In ähnlicherweise ist für die
Rotorschaufel 11 die Luftströmung dargestellt durch die
Pfeile 19 und 19' und es ist ersichtlich, dass die
Gasströmung, die durch den Pfeil 19 angedeutet ist, in den
Hohlraum der Rotorschaufel 11 eintritt unter einem Druck der
im wesentlichen dem Druck an der Vorderkante der
Rotorschaufel 11 entspricht und ausströmt unter einem
niedrigeren Druck, der den, an der Hinterkante 16 der
Rotorschaufel beobachteten Druck wiederspiegelt.
Dementsprechend, strömt Gas sowohl durch das Innere der
Statorschaufel 10 und der Rotorschaufel 11 hauptsächlich
infolge des Druckunterschiedes, der über diesen Schaufeln
vorliegt. Da die Rotorschaufeln während dem Betrieb des
Triebwerkes drehen, tragen die Zentrifugalkräfte auch zur
Gasströmung durch die Rotorschaufeln gemäss der Erfindung
bei.
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Während es im Stand der Technik üblich ist diese
Schaufeln mit einem durchgehenden Hohlraum zu giessen, der
sich durch das Bauteil erstreckt und dann ein Ende dieses
durchgehenden Hohlraumes abzudichten, um eine Luftströmung zu
verhindern, sind gemäss der vorliegenden Erfindung eine oder
mehrere kleine Öffnungen absichtlich in dieser Abdeckplatte
oder anderen Abdichtungseinrichtung geformt, um eine
begrenzte, geregelte Gasmenge durch die Rotorschaufel oder
die Statorschaufel strömen zu lassen. Ein oder mehrere kleine
Löcher können vorgesehen sein und es wird geglaubt, dass
diese Löcher eine gesamte Querschnittsfläche haben sollen in
dem Bereich von etwa 0,645 mm² (0,001 Quadratzoll) bis zu
etwa 64,5 mm² (0,1 Quadratzoll) und vorzugweise 3,22 bis zu
32,1 mm² (0,005 bis 0,5 Quadratzoll). Die Lochabmessung kann
alternativ auch beschrieben werden als etwa 0,05% bis zu etwa
5,0% der mittleren Querschnittsfläche des Hohlraumes in der
Rotorschaufel oder der Statorschaufel.
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In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass die
wirksame Querschnittsfläche des Hohlraumes in den Schaufeln
üblicherweise zwischen etwa 1,29 cm² (0,2 Quadratzoll) und
etwa 12,90 cm² (2.0 Quadratzoll) liegt. Gemäss der
vorliegenden Erfindung wird die Luftströmung durch diese
Hohlräume in ihrem Volumen und ihrer Strömungsgeschwindigkeit
stark herabgesetzt gegenüber den Werten die vorliegen würden
falls die Schaufeln im gegossenen Zustand, d. h. an beiden
Enden offen gelassen werden würden.