DE69733635T2 - Turbinenrotor mit einer Isolationsbeschichtung am äusseren Umfang - Google Patents

Turbinenrotor mit einer Isolationsbeschichtung am äusseren Umfang Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenkraftmaschinen und spezieller Turbinenlaufräder darin.
  • Eine Gasturbinenkraftmaschine umfasst einen Kompressor zur Druckbeaufschlagung von Luft, die zu einer Brennkammer weitergeleitet wird, in der sie mit Brennstoff gemischt wird und entzündet wird, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die durch eine oder mehrere Turbinen stromabwärts strömen, welche Energie gewinnen, um den Kompressor mit Energie zu beaufschlagen und nützliche Arbeit zu leisten. Die Turbinenstufen umfassen stationäre Turbinendüsen und sich drehende Turbinenlaufräder, durch die die heißen Verbrennungsgase strömen. Leitschaufeln in den Düsen und Schaufeln im Laufrad sind normalerweise hohl, um einen Teil von Luft dadurch zu leiten, die vom Kompressor abgezapft ist, um die Turbinenbauteile von der beträchtlich erhöhten Temperatur der Verbrennungsgase geeignet zu kühlen.
  • Ein typisches Turbinenlaufrad umfasst eine Laufradscheibe mit Axialeintritts-Schwalbenschwanzschlitzen um ihren Umfang, die entsprechende Scheibensäulen begrenzen. Die Schwalbenschwanzschlitze nehmen entsprechende axiale Schwalbenschwänze der Turbinenschaufeln auf, die durch die Scheibensäulen radial zurückgehalten werden. Jede von den Schaufeln umfasst auch eine als Einheit ausgebildete Plattform zwischen einem aerodynamischen Profilteil und dem Schwalbenschwanz, wobei die Plattformen gemeinsam eine radial innere Strömungsweggrenze für die Verbrennungsgase festlegen, die axial zwischen den benachbarten aerodynamischen Schaufelprofilen strömen. Ein ringförmiges Deckband umgibt die aerodynamischen Profile und liefert eine radial äußere Strömungsweggrenze für die Verbrennungsgase. Die einzelnen aeodynamischen Profile und die radial äußeren Oberflächen der als Einheit ausgebildeten Plattformen sind deshalb direkt den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt und werden hierdurch erwärmt (ein solches Laufrad ist im Schriftstück US-A-5 281 097 dargestellt.
  • Um eine effektive Nutzlebensdauer der Turbinenschaufeln während eines Betriebs zu gewährleisten, sind sie typischerweise aus herkömmlichen Superlegierungen auf Kobalt- oder Nickelbasis mit geeigneter Festigkeit bei erhöhter Temperatur hergestellt. Das Schaufelmaterial kann gegen die nachteiligen Wirkungen der heißen Verbrennungsgase weiter geschützt werden, indem der aerodynamische Profilteil mit einer herkömmlichen gasundurchlässigen Umweltbeschichtung bedeckt wird, um die aerodynamische Profiloberfläche während eines Betriebs gegen unerwünschte Oxidation zu schützen. Die aerodynamischen Profile können auch zusätzlich mit einer gasdurchlässigen Wärmesperrenbeschichtung (TBC) bedeckt sein, um eine Wärmeisolierung gegen die erhöhte Temperatur der Verbrennungsgase zu liefern. Auf diese Weise kann das aerodynamische Profil, das den heißen Verbrennungsgasen direkt ausgesetzt ist, weiter gegen dieselben geschützt werden, indem die TBC- und Umweltbeschichtung verwendet werden, wenn gewünscht.
  • Jedoch arbeiten die aerodynamischen Turbinenprofile und als Einheit ausgebildeten Plattformen noch bei einer wesentlich erhöhten Temperatur, die typischerweise ein internes Kühlen der aerodynamischen Profile selbst sowie einen geeigneten Wärmeschutz der benachbarten Bauteile erfordert. Z.B. werden die Turbinenschaufeln an der Laufradscheibe montiert, wobei die als Einheit ausgebildeten Schaufelplattformen eine direkte Wärmeabschirmung über der Laufradscheibe liefern, wobei ein Kontakt damit durch die Verbrennungsgase verhindert wird. Die zu den aerodynamischen Turbinenprofilen weitergeleitete Kühlluft wird durch die Schwalbenschwanzschlitze im Turbinenlaufrad daran abgegeben, wobei die Kühlluft auch zum Kühlen des Turbinenlaufrads im Bereich der Schwalbenschwanzschlitze wirkungsvoll ist. In den Scheibensäulenhohlräumen, die sich zwischen den Scheibensäulen und der Unterseite der Schaufelplattformen vorfinden, wird zusätzliche Abzapfluft, die als Spülluft bezeichnet wird, dadurch geleitet.
  • Nichtsdestoweniger wird die Laufradscheibe selbst durch Leitung von der Wärme erwärmt, die radial einwärts durch die einzelnen Turbinenschaufeln transportiert wird. Sie wird auch durch Konvektion von der Spülluft verhältnismäßig hoher Temperatur erwärmt, die in die Scheibensäulenhohlräume weitergeleitet wird. Und sie wird weiter durch Strahlung von der Unterseite der Schaufelplattformen erwärmt. Da die Turbinenscheibe ein sich drehendes Bauteil ist, das die beträchtlichen zentrifugalen Belastungen trägt, die durch die Turbinenschaufeln während eines Betriebs erzeugt werden, muss sie eine geeignete Festigkeit bei erhöhter Temperatur aufweisen. Typische Superlegierungen werden für die Laufradscheibe für ihre erhöhte Festigkeit bei erhöhten Temperaturen verwendet. Nichtsdestoweniger sind die Scheibensäulen und die einzelnen Ausbuchtungen, die die Schwalbenschwanzschlitze begrenzen, über die Zeit bei erhöhter Temperatur einer Kriechverformung ausgesetzt, was die Nutzlebensdauer der Laufradscheibe verringert.
  • Es ist deshalb wünschenswert, die Festigkeit von Turbinenlaufradscheiben weiter zu erhöhen, ohne dass teuerere für höhere Temperatur geeignete Superlegierungen oder eine signifikante Neukonstruktion der Bauteile erforderlich ist. Herkömmliche Turbinenschaufeln mit einer als Einheit ausgebildeten angrenzenden Plattform haben sich in kostensparende und effiziente strukturelle und aerodynamische Konfigurationen mit minimalen Abdichtungserfordernissen und Bauteilen dafür entwickelt. Es ist deshalb wünschenswert, das Turbinenlaufrad für einen Hochtemperaturbetrieb weiter zu verbessern, ohne dass herkömmliche Konstruktionen signifikant beeinträchtigt werden oder eine Turbinenfestigkeit einschließlich Ermüdungs- und Kriechfestigkeit nachteilig beeinträchtigt werden.
  • Ein Turbinenlaufrad umfasst eine Laufradscheibe mit einer Mehrzahl von Schwalbenschwanzschlitzen, die dazwischen respektive Scheibensäulen begrenzen. Jede Säule weist einen oberen Rücken und eine Mehrzahl von Ausbuchtungen auf, die dort unten im Innern von benachbarten der Schlitze radial beabstandet sind. Eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln, von denen jede einen Schwalbenschwanz aufweist, ist in respektiven der Schwalbenschwanzschlitze montiert, um die Schaufeln radial zurückzuhalten. Eine Plattform ist als Einheit mit dem Schwalbenschwanz verbunden und erstreckt sich in Umfangsrichtung, um an benachbarten der Plattformen anzugrenzen, um einen radial inneren Strömungsweg zu begrenzen. Ein aerodynamisches Profil erstreckt sich als Einheit von der Plattform, um Energie von den Verbrennungsgasen, die darüber strömbar sind, zu gewinnen. Eine Wärmesperrenbeschichtung ist an jedem der oberen Scheibensäulenrücken fest gebunden, um eine Wärmeisolierung zwischen den Plattformen und den Scheibensäulen zu liefern, um eine Scheibensäulentemperatur zu verringern.
  • Die Erfindung gemäß bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen derselben wird spezieller in der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist eine teilweise axiale Aufrissschnittansicht eines beispielhaften Hochdruckturbinenlaufrads gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließlich Turbinenschaufelschwalbenschwanz, der an einer Laufradscheibe montiert ist.
  • 1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Hochdruckturbine 10 für eine Luftfahrzeuggasturbinenkraftmaschine. Die Turbine umfasst eine ringförmige Turbinendüse 12 mit einer Mehrzahl von herkömmlichen Leitschaufeln 14, die in Umfangsrichtung um eine Längs- oder axiale Mittenlinienachse 16 voneinander räumlich beabstandet sind. Die Düse 12 ist unmittelbar stromabwärts von einer herkömmlichen Brennkammer (nicht dargestellt) angeordnet und nimmt heiße Verbrennungsgase 18 davon auf.
  • Unmittelbar stromabwärts von der Turbinendüse 12 ist ein Turbinenlaufrad 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet. Das Laufrad 20 umfasst eine Laufradscheibe 22, die koaxial mit der Düse 12 um die Mittenlinienachse 16 angeordnet ist. Die Scheibe 22 weist eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten axial sich erstreckenden Schwalbenschwanzschlitzen 24 auf.
  • Benachbarte der Schwalbenschwanzschlitze 24 begrenzen dazwischen respektive radial sich erstreckende Scheibensäulen 26. Jede Säule 26 weist einen radial äußeren oberen Rücken 26a auf, der sich in Umfangsrichtung von Schlitz zu Schlitz und von dem vorderen zum hinteren Ende der Scheibe 22 ganz axial erstreckt. Jede Scheibensäule 26 umfasst eine Mehrzahl von entgegengesetzt sich erstreckenden Trägerausbuchtungen 26b, die unter dem oberen Rücken 26a im Innern von benachbarten der Schwalbenschwanzschlitze 24 radial beabstandet sind.
  • Das Laufrad 20 umfasst auch eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 28, die jeweils einen Axialeintritts-Schwalbenschwanz 28a aufweisen, der in einem respektiven der Schwalbenschwanzschlitze 24 montiert ist, um die Schaufel 28 radial zurückzuhalten. Wie in 1 dargestellt, ist ein ringförmiger vorderer Schaufelhalter 30 an der vorderen Fläche der Scheibe 22 und Schwalbenschwänze 28a in einer herkömmlichen Bajonettverriegelungsanordnung geeignet fest montiert, und ein herkömmlicher ringförmiger hinterer Schaufelhalter 32 ist zwischen den hinteren Flächen der Scheibe 22 und den Schwalbenschwänzen 28a verbunden, um die Schwalbenschwänze in der Scheibe 22 axial zurückzuhalten.
  • Jede von den Schaufel 28 umfasst weiter eine Plattform 28b, die mit dem Schwalbenschwanz 28a als Einheit angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung von entgegengesetzten Seiten derselben erstreckt, um an benachbarten der Plattformen 28b anzugrenzen und einen verhältnismäßig kleinen Spalt dazwischen bereitzustellen, wie in 1 veranschaulicht. Die in Umfangsrichtung angrenzenden Plattformen 28b begrenzen gemeinsam einen radial inneren Strömungsweg oder Grenze, über den die Verbrennungsgase 18 während eines Betriebs strömen. Die Schaufel 28 umfasst auch ein aerodynamisches Profil 28c, das mit der Plattform 28b als Einheit angeordnet ist, um Energie von den Verbrennungsgasen 18, die während eines Betriebs darüber strömbar sind, zu gewinnen.
  • Jede von den Schaufeln 28 ist vorzugsweise eine einstückige Anordnung von dem Schwalbenschwanz 28a, der Plattform 28b und dem aerodynamischen Profil 28c, und benachbarte der Plattformen 28b grenzen aneinander über die oberen Rücken 26a an, um einen verhältnismäßig kleinen Spalt dazwischen zu liefern. Eine herkömmliche axiale Keilnutdämpfungsdichtung 33 überbrückt die benachbarten Plattformen 28b am Plattformspalt, um eine Leckage abzudichten und eine Reibungsdämpfung zu liefern.
  • Wie in 1 dargestellt, ist ein herkömmliches ringförmiges Deckband 34 radial auswärts von den aerodynamischen Profilen 28c angeordnet und verbindet die Turbinendüse 12, um einen radial äußeren Strömungsweg oder Grenze für die Verbrennungsgase 18 festzulegen.
  • Die Turbinenscheibe 22 und die Turbinenschaufeln 28 können jegliche herkömmliche Form mit geeigneten Konfigurationen der Schwalbenschwänze 28a und der Schwalbenschwanzträgerscheibensäulen 26 annehmen. Während eines Betriebs entwickeln die sich drehenden Schaufeln 28 eine Zentrifugalkraft, die durch die Schwalbenschwänze 28a in den benachbarten Scheibensäulen 26 und wiederum im Rest der ringförmigen Laufradscheibe 22 getragen wird. Die Laufradscheibe 22 und insbesondere die Scheibensäulen 26 sind deshalb beträchtlichen zentrifugalen Belastungen und entsprechender zentrifugaler Beanspruchung während eines Betriebs ausgesetzt. Die einzelnen Ausbuchtungen 26b der Scheibensäulen 26 stehen mit komplementären Ausbuchtungen der Schwalbenschwänze 28a im Eingriff, um die zentrifugalen Belastungen in den Scheibensäulen 26 zu tragen und sind deshalb auch während eines Betriebs hochbeansprucht.
  • Da die Laufradscheibe 22 bei einer erhöhten Temperatur arbeitet, was auf die Wärmewirkungen der Verbrennungsgase 18 zurückzuführen ist, muss sie aus einem geeigneten Material gebildet sein, das eine akzeptable Festigkeit bei erhöhter Temperatur liefert, um eine Nutzlebensdauer durchzustehen. Z.B. kann die Scheibe 22 aus herkömmlichen Superlegierungen auf Kobalt- oder Nickel-Basis gebildet sein, die ein Hochtemperaturfestigkeitsvermögen aufweisen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Umfang der Scheibe 22 einschließlich der Scheibensäule 26 Stationärzustandstemperaturen erzielen, die größer als etwa 650°C sind, und deshalb muss dieses Material ein geeignetes Hochfestigkeitsvermögen einschließlich Kriechfestigkeit bei einer solchen erhöhten Temperatur aufweisen. Eine geeignete Kriechfestigkeit ist erforderlich, um ein übermäßiges Kriechen in der Form eines Gesamtsäulenwachstums und eines lokalisierten Ausbuchtungsbiegens zu verhindern, das die Nutzlebensdauer der Scheibe 22 begrenzen würde.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 veranschaulicht, ist eine Wärmesperrenbeschichtung (TBC) 36 oder Wärmeisolator an jedem der oberen Scheibensäulenrücken 26a geeignet fest gebunden, um eine Wärmeabschirmung oder -isolierung zwischen der Unterseite der Plattformen 28b und dem oberen Ende der Scheibensäulen 26 zu liefern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die Scheibe 22 als auch die Schaufeln 28 herkömmliche Superlegierungsmetalle auf Nickel- oder Kobalt-Basis, wobei die Beschichtung 36 an der äußeren Oberfläche der oberen Schultern 26a unter Verwendung eines beliebigen herkömmlichen Prozesses einschließlich Plasmaspritzen geeignet gebunden ist. Eine beispielhafte Beschichtung 36 ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconiumdioxid. Es kann in einer verhältnismäßig dünnen Beschichtung von einer geeigneten Dicke bis zu etwa 25 Mit z.B. mittels Plasma abgelagert werden. Und es liefert eine thermische Leitfähigkeit von z.B. etwa 1 BTU/Hr-ft-°F (1,73 W/m°C). Die Wärmesperrenbeschichtung ist luft- oder gasdurchlässig oder porös, um für eine wirkungsvolle Wärmeisolierung zu sorgen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Umweltbeschichtungen, die Luft- und gasundurchlässig sind, um eine Oxidation des Ausgangs- oder Basismaterials zu verhindern, an das sie anhaften.
  • Da ein beliebiger Typ von Beschichtung, der auf ein hochbeanspruchtes Metallbauteil aufgebracht wird, wie z.B. die Turbinenscheibe 22, während eines Betriebs Risse bekommen kann und einen Rissentstehungsort für das darunterliegende Basismaterial liefern kann, ist es vorzugsweise wünschenswert, solche Beschichtungen nur in Bereichen von verhältnismäßig niedriger Zugspannung oder in Druckspannungsbereichen zu verwenden. Wärmesperrenbeschichtungen sind typischerweise brüchig und weisen wesentlich weniger Duktilität auf als diejenige des Basismetalls der Laufradscheibe 22. Demgemäß, wenn sie in Bereichen aufgebracht werden, die Wärmeschock oder hoher Zugspannung ausgesetzt sind, können sie Risse bekommen und dadurch das Ermüdungsfestigkeitsvermögen des Ausgangsmaterials unerwünschterweise verschlechtern.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Beschichtung 36 allein über die oberen Rücken 26a oben auf den Scheibensäulen 26 der Laufradscheibe 22 aufgebracht oder angeordnet, die eine verhältnismäßig niedrige Beanspruchung während eines Betriebs erfährt, um dadurch eine Verschlechterung einer Ermüdungslebensdauer des Turbinenlaufrads 22 selbst zu verringern. Wie in 1 dargestellt, erstreckt sich die Beschichtung 36 vorzugsweise ganz über den oberen Rücken 26a in Umfangsrichtung von Schlitz zu Schlitz und axial zwischen dem vorderen und hinteren Ende der Scheibe 22. Da die Schaufelschäfte über den Schwalbenschwänzen 28a den Schwalbenschwanzschlitz 24 zwischen den benachbarten Scheibensäulen 26 einnehmen, ist die ganze freiliegende äußere Oberfläche des Laufrads 22, die radial aufwärts gekehrt ist, vorzugsweise durch die Beschichtung 36 bedeckt.
  • Obwohl die Schaufelplattformen 28b, wie in 1 veranschaulicht, eine direkte Abschirmung zwischen den Verbrennungsgasen 18 und der Laufradscheibe 22 liefern, werden die Plattformen 28b selbst auf eine erhöhte Temperatur erwärmt und strahlen Wärme radial einwärts in Richtung auf die Scheibe 22 ab. Die Wärmesperrenbeschichtung 36, die oben auf den Scheibensäulen 26 angeordnet ist, liefert dadurch eine wirkungsvolle Isolierung gegen Strahlung von den Plattformen 28b, um die zugeführte Wärme zu den Scheibensäulen 26 zu verringern.
  • In der in 1 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform sind die Plattformen 28b radial über den oberen Rücken 26a beabstandet, um dazwischen respektive Scheibensäulenhohlräume 38 zu begrenzen. Und, wie in 1 dargestellt, werden herkömmliche Einrichtungen bereitgestellt, um während eines Betriebs Spülluft 40a durch die Hohlräume 38 hindurchzuleiten. Die Spülluft 40a kann als ein Teil von Luft vorgesehen sein, die vom Kompressor (nicht dargestellt) der Kraftmaschine abgezapft ist und entlang der äußeren Oberfläche des vorderen Schaufelhalters 30 geeignet hindurchgeleitet wird. Die Spülluft 40a tritt axial in das vordere Ende der Schaufeln 28 unter den Plattformen 28b ein, um durch die Scheibensäulenhohlräume 38 zu strömen. Da sich der vordere Schaufelhalter 30 während eines Betriebs dreht, erwärmt er die Kompressorabzapfluft und wiederum die Spülluft 40a, die durch die Scheibensäulenhohlräume 38 strömt. Die Spülluft liefert deshalb unerwünschterweise eine Konvektionswärmeübertragung in Richtung auf die Scheibensäule 26, die durch die eingefügte Beschichtung 36 wesentlich verringert ist.
  • Da die Turbinenschaufeln 28 einstückige Metallstrukturen sind, transportiert eine Wärmeleitung radial einwärts durch dieselben Wärme durch die Scheibensäulen 26 in die Turbinenscheibe 22. Demgemäß sind auch geeignete Einrichtungen vorgesehen, um Kühlluft 40b durch die Schwalbenschwanzschlitze 24 und wiederum ins Innere der Schaufeln 28 weiterzuleiten, um insbesondere die einzelnen Schaufeln 28 zu kühlen und um eine Wärmesenke zu liefern, um die Scheibensäulen 26 radial einwärts der Beschichtungen 36 zu kühlen, um eine wirkungsvolle Leistungsfähigkeit der Beschichtungen 36 während eines Stationärzustandsbetriebs sowie während eines Übergangsbetriebs zu gewährleisten.
  • Spezieller und wie in 1 dargestellt, umfasst jede der Schaufeln 28 einen Kühlkreis 42 darin, der jegliche herkömmliche Form annehmen kann. Der Kühlkreis 42 umfasst Durchgänge, die sich vom Boden des Schwalbenschwanzes 28a erstrecken, um einen Kühllufteinlass dazu bereitzustellen, wobei sich die Durchgänge aufwärts durch den Schwalbenschwanz 28a, die Plattformen 28b und durch die einzelnen aerodynamischen Profile 28c erstrecken. Die Kühlluft 40b wird vom Kompressor geeignet abgezapft und ins Innere des ringförmigen vorderen Schaufelhalters 30 weitergeleitet, um radial aufwärts zwischen dem Halter und der vorderen Seite der Laufradscheibe 22 zu strömen. Die Kühlluft 40b wird zwischen den Bajonetthalterungen geeignet hindurchgeleitet und tritt axial in das vordere Ende des Bodens der Schwalbenschwanzschlitze 24 ein. Von hier tritt sie in den Boden der einzelnen Schwalbenschwänze 28a ein, um radial aufwärts in die aerodynamischen Profile 28c zu strömen, um eine wirkungsvolle Kühlung derselben zu liefern.
  • Wie in 1 dargestellt, tritt die Kühlluft 40b in die Schwalbenschwanzschlitze 24 auf beiden Seiten der einzelnen Scheibensäulen 26 ein. Demgemäß liefert diese Kühlluft 40b eine wirkungsvolle Wärmesenke, um Wärme vom Boden der einzelnen Scheibensäulen 26 zu entfernen. Auf diese Weise arbeitet die Beschichtung 36 oben auf der Scheibensäule 26 in Verbindung mit der Wärmesenke, die durch die Kühlluft 40b geliefert wird, um die Temperatur der Scheibensäule 26 während eines Betriebs, sowohl während eines Stationärzustandsbetriebs sowie während eines Übergangsbetriebs, zu verringern. Die Beschichtung 36 beschränkt eine Wärmezuleitung in die Scheibensäule 26, wobei die Kühlluft 40b wirkungsvoll ist, um Wärme von der Scheibensäule 26 zu entfernen, um eine verringerte Stationärzustandsbetriebstemperatur der Scheibensäule 26 zu gewährleisten. Indem so die Scheibensäulen 26 bei einer niedrigeren Temperatur arbeiten, als sie es sonst ohne die Beschichtung 36 getan hätten, sind die Kriechfestigkeit und deshalb die Kriechlebensdauer der Turbinenscheibe 22 deshalb erhöht.
  • Die spezifische und beschränkte Verwendung der Beschichtung 36 oben auf den Scheibensäulen 26 liefert eine wirkungsvolle Wärmeabschirmung zum weiteren Schützen der Turbinenscheibe 22 gegen die rauhe thermische Umgebung der Schaufelplattformen 28b und aerodynamischen Profile 28c, die durch die Verbrennungsgase 18 erwärmt werden. Eine signifikante Verringerung in der Scheibensäulenmetalltemperatur während sowohl Stationärzustands- als auch Übergangsbetrieb wird erhalten, um die Kriechlebensdauer der Turbinenscheibe 22 zu verbessern.
  • Alternativ kann die Turbine 10 für einen verbesserten Wirkungsgrad ohne eine teuere Änderung zu einem kostspieligeren für höhere Temperatur geeigneten Scheibenmaterial bei einer höheren Temperatur betrieben werden. Die Beschichtung 36 wird nur auf das obere Ende der Scheibensäulen 26 in einer verhältnismäßig dünnen Beschichtung mit einem entsprechend niedrigen Gewicht und geringen Volumen selektiv aufgebracht, sowie geringen Kosten. Sie arbeitet in Einklang mit herkömmlichen Turbinenkonstruktionen und erfordert keine zusätzlichen Bauteile oder größeren Neukonstruktionen. Sie wird auf dem spannungsarmen Bereich der Scheibensäulen 26 aufgebracht, um zu gewährleisten, dass die Ermüdungslebensdauer der Turbinenscheibe 22 aufgrund der brüchigen Beschaffenheit der Beschichtung 26 nicht signifikant verschlechtert wird.

Claims (10)

  1. Turbinenlaufrad 20, umfassend: eine Laufradscheibe 22 mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten sich axial erstreckenden Schwalbenschwanzschlitzen 24, die dazwischen respektive Scheibensäulen 26 begrenzen, wobei jede Säule 26 einen radial äußeren oberen Rücken 26a und eine Mehrzahl von Ausbuchtungen 26b aufweist, die radial unter dem oberen Rücken 26a im Innern von benachbarten der Schlitze 24 räumlich angeordnet sind; eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 28, von denen jede aufweist: einen Schwalbenschwanz 28a, der in einem respektiven der Schwalbenschwanzschlitze 24 montiert ist, um die Schaufel 28 radial zu halten, eine Plattform 28b, die mit dem Schwalbenschwanz 28a als Einheit ausgebildet ist und sich in Umfangsrichtung erstreckt, um an benachbarte der Plattformen 28b anzugrenzen, um einen radial inneren Strömungsweg zu begrenzen, und ein aerodynamisches Profil 28c, das mit der Plattform 28b als Einheit ausgebildet ist, um Energie von darüber strömbaren Verbrennungsgasen 18 zu gewinnen; und gekennzeichnet durch eine Wärmesperrenbeschichtung 36, die an jedem der oberen Scheibensäulenrücken 26a fest gebunden ist, um für eine Wärmeisolierung zwischen den Plattformen 28b und den Scheibensäulen 26 zu sorgen.
  2. Laufrad nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung 36 lediglich oben auf den Scheibensäulen 26 der Laufradscheibe 22 angeordnet ist, um eine Verschlechterung der Ermüdungslebensdauer der Turbinenscheibe 22 zu vermindern.
  3. Laufrad nach Anspruch 2, bei dem die Beschichtung 36 luftdurchlässig ist.
  4. Laufrad nach Anspruch 2, bei dem die Plattformen 28b radial über den oberen Rücken 26a räumlich angeordnet sind, um Hohlräume 38 zu begrenzen, und Einrichtungen zum Hindurchleiten von Spülluft 40a durch die Hohlräume 38 vorgesehen sind, wobei die Beschichtung 36 wirksam ist, um eine Konvektionswärmeübertragung von der Spülluft 40a zu den Scheibensäulen 26 zu verringern.
  5. Laufrad nach Anspruch 4, weiter umfassend Einrichtungen 42 zum Hindurchleiten von Kühlluft 40b durch die Schlitze 24 und abwechselnd ins Innere der Schaufeln 28, um die Schaufeln 28 zu kühlen und eine Wärmesenke zum Kühlen der Scheibensäulen 26 unter den Beschichtungen 36 bereitzustellen.
  6. Laufrad nach Anspruch 5, bei dem: jede der Schaufeln 28 eine einstückige Einheit des Schwalbenschwanzes 28a, der Plattform 28b und des aerodynamischen Profils 28c ist; und benachbarte der Plattformen 28b über den oberen Rücken 26a aneinander angrenzen, um für eine Fluiddichtung gegen Leckage dazwischen zu sorgen.
  7. Laufrad nach Anspruch 6, bei dem die Scheibe 22 und die Schaufeln 28 Metall sind und die Beschichtung 36 an einer Außenseite des oberen Rückens 26a gebunden ist.
  8. Laufrad nach Anspruch 6, bei dem die Beschichtung 36 bis zu etwa 25 Mil dick ist.
  9. Laufrad nach Anspruch 6, bei dem sich die Beschichtung 36 in Umfangsrichtung von Schlitz zu Schlitz ganz über dem oberen Rücken 26a und axial zwischen seinem vorderen und hinteren Ende erstreckt.
  10. Laufrad nach Anspruch 6, bei dem die Beschichtung 36 eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 BTU/Hr-ft-°F (1,73 W/m °C) aufweist.
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