DE7100849U

DE7100849U - Turbomaschinenschaufel

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Publication number: DE7100849U
Application number: DE7100849U
Authority: DE
Original assignee: BBC AG
Current assignee: BBC AG
Priority date: 1970-12-18
Publication date: 1973-04-05

Description

16 U / 7 Π O Go,-n

Aktiengesellschaft Brown, Boveri λ Cie., Baden (Schweiz

Turbomaschineηschaufel

Die Neuerung betrifft eine Turbomschinenschaufel mit einem allseitig geschlossenen Hohlraum, in weichen ein WMrmetransportmedium zur Kühlung der Schaufel angeordnet ist.

Es ist bekannt, Turbinenschaufeln '-!urch ein im Hohlraum der Schaufeln eingeschlossenes Wärmetransportmedium zu kühlen. Diese Medien sind dabei innerhalb des Hohlraumes frei beweglich, wobei die Kühlung beispielsweise durch dauernder» Wechsel des Aggregatzustandes hervorgerufen wird. Es wird zum Beispiel einer Flüssigkeit im Schaufelblatt Wärme zugeführt, so dass sie verdampft und im kälteren Schaufelfuss kondensiert.

Da der Wirkungsgrad thermischer· Maschinen unter anderem von der Gastemperatur proportional abhängig ist, wird das Streben nach Verbesserung des Wirkungsgrade? durch die Hochtemperaturfestigkeit des Werkstoffes stark eingegrenzt.

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Durch Innenkühlung der Schaufeln nach der oben angegebe ien Art

liehe Gastemperatur von 900° C (bei ungekühlten Schaufeln und hochwarmfesten Werkstoff, z.B. NiCo 20 Cr 15 MoAlTi nach DIN 17 006) auf ca. 1150° C erhöht werden konnte=

Aus dieser kurzen Gegenüberstellung geht hervor, dass mit der bereits vorgeschlagenen Methode nur geringfügige Verberserungen erreicht werden können, da die Wärmeabfuhr durch die konventionelle Kühlung nicht wesentlich beeinflussbar ist.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Neuerung diese Nachteile zu vermeiden und eine entscheidende Anhebung der zulässigen Werkstofftemperatur an Turbomaschinenschaufeln zu erreichen»

Deshalb wird neuerungsgemSss vorgeschlagen, dass die Innenseiten des Hohlraumes mit einer Kapillarschicht versehen sind, und dass nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Neuerung die Kapillarschicht aus einer mindestens zweiphasigen» annähernd eutektischen Legierung besteht, die durch Erstarrung aus der Schmelze eine räumliche Lamellen- oder Gitterstruktur bildet und eine der Phasen mindestens teilweise herausgelöst ist.

Nach einer anderen Ausführungsform der Neuerung ist der Werkstoff

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der Turbomaschinenschaufel und der Kapillarschicht aus der

Ferner ist es vorteilhaft, die Legierung aus einer ersten

Phase (oL ), nämlich eines Uebergangsmetalles (Me) der VIII. Gruppe und der U. Periode des Periodensystems und aus einer zweiten Phase ( /& ), nämlich eines Karbids de-: jeweiligen Uebergangsmetalles (Me) nach der Struktur Cr₇ Me C„ <·

Ein Verfahren zur Herstellung der neuerungsgemässen Torbomaschinenschaufel ist derart gestaltet, dass die Wände des alleeitig geschlossenen Hohlraumes der Turbomaschinenschaufel mit einer Auskleidung versehen werden, die aus einer annähernd eutektischen Mehrphasen-Legierung besteht, wobei während d°.r Erstarrung derselben aus der Schmelze mindestens eine der Phasen in der Matrix eine räumliche Lamellen- oder Gitterstruktur bildet, und nachfolgend mindestens eina der Phasen mindestens selektiv herausgelöst wird.

Eine andere mögliche Form des Herstellungsverfahrens ist durch gerichtete Erstarrung bei einem annähernd konstanten Temperaturgradient·^ und einer annähernd konstanten Kristallisationsgeschwindigkeit gegeben.

Dabei soll der Temperaturgradient vorteilhaft mindestens 10 C/cm

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betragen und die Kristallisationsgeschwindigkeit zwischen

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2,8.10 und 1,4.10 cm/sec liegen.

Die Herstellung der Kapillarschicht der Turbomaschinenschaufel kann mittels Herauslösen einer Phase durch elektrolytisches
Aetzen erfolgen.

Neben dem Vorteil der einfachen Herstellungsmethode der Oberflächen ist al weiterer Vorteil zu werten, dass die zur Anwendung gelange len eutektischen Legierungen eine weitgehende quantitative Kontrolle der Kapillarstruktur erlauben-, die -?-'uf eine Abstimmung der den Erstarrungsvorgang bestimmenden Parimeter hinauslaufen. Typische Werte solcher Kapillarnetzabmessungen wären zwischen 0.5 und 20 Mikron variierbar.

Zur Transport der wärmeübertragenden Flüssigkeit in einem Wärmerohr wird eine Oberfläche verlangt, die netzartig ausgebildet ist und Kapillaren bildet, die das Wärmetransportmedium von den Stellen niedriger Temperatur zu den Stellen höherer Temperatur, auch entgegen den Einfluss von Kräften, transportiert. Der Vorteil der Neuerung wird gegenüber der konventionellen Herstellung solcher Oberflächennetze, die im Einlegen von Netzwerken verschiedener Art, im Einfräsen von Nuten, im Ansintern von Pulvern an die Wandoberfläche usw. besteht, durch die klare Vereinfachung in der Herstellung erreicht, die vor allem da auftritt, wo

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Turbomaschinenschaufelwerkstoff und Kapillare aus dem gleichen Material bestehen können; dements Drechenr! also vor allem bei gegossenen Werkstücken, sei es Sandguss, Präzisionsguss oder

Anhand einer Zeichnun'⁷ wird ein Ausführunpsbf-i sni si der Neue— rung näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Turbomaschinenschaufel im Schnitt, Fig. 2 ein Strukturbild der Kapillarschicht, Fig. 3 ein Schaubild einer Legierung.

In Fig. 1 ist die Turbomaschinenschaufel mit den Hauptteilen Schaufelblatt 1, Schaufelfuss ? und dem Hohlraum 3 wiedergegeben. Der Schaufelfuss 2 weist mehrere Befestigungsnuten ^lt auf, die nach dem sogenannten Tannenbaummunter ausgebildet sind.

Der Hohlraum 3 ist an den Innenflächen mit einer Kapillarschicht δ ausgestattet, durch die das Wärmetransportmedium zirkuliert. Dabei wird das Medium von kalten oder relativ kalten Schaufelfuss 2, der beispielsweise durch Aussenkühlung als Kondenstor wirkt, über die Kapillaren dem Jiuspc^pi eil des Hohlraumes 3 im Schaufelblatt 1 zugeführt, der wegen der starken Linstrahlung von Wärme durch das umspülende <\rbe itsgas als Verdampfer wirkt. Das

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verdampfte Medium wird wegen des natürlichen Ausgleichs des Aggregatzustandes zum kalten Schaufelfuss hinströmen und dort kondensieren. Damit wird ein erneuter Transport mit nachfolgender Verdampfung eingeleitet, wobei die Zirkulation kontinuierlich verläuft. Dis Pfeile im Innern der Turbinenschaufel zeigen die Zirkulation des Mediums an, wogegen die äusseren Pfeile q und q, die Zu- bzw. Abführung von Wärme andeuten.

Die Neuerung macht sich die Struktur eutektischer Legierungen zunutze, deren eine Phase in Form von Lamellen oder unregelmässigen dreidimensional verketteten Netzwerken besteht, wobei die Erstarrung aus der Schmelze prinzipiell auch unkontrolliert Bein kann. Jedoch ist es vorteilhaft, eine gerichtete Erstarrung des Werkstoffes zu bevorzugen, da hierbei eine günstigere Grundlage für die Ausbildung der Kapi±larstruktur erreicht wird. Durch selektives Ausätzen einer der beiden Phasen lässt sich ein r es Netzwerk auf der Oberfläche gewinnen, das für die Verwendung eines Wärmerohres besonders geeignet erscheint^ wie in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist, die eine Rasterelektronenaufnahme der resultierenden Struktur wiedergibt. )

Die mit der neuen Anordnung eines Wärmerohres in einer Turbomaschinenschaufel erreichbare Temperaturdifferenz zwischen Gas- und Schaufeltemperatur ist im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der Schaufelwand sowie der Arbeitsflüssigkeit bestimmt.

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Bei "!.'Wendung von Salzschmelzen z.t>. könnte sie mehrere hundert Grad betragen. Wählt man als Kühlsalz-Beispiel SnJ _? Schmelztemperatur T = 320° C, Siedepunkt T = 715° C, Ver-

S V

dampfungswärme L =23 800 cal/mol, Molgewicht M = 37 2,5 g/Mol), so lässt sich überschlägig bestimmen, dass bei einem Betriebsdampfdruck von 1 Atm (T = 715° C) eine Wärmemenge von etwa 119 cal/cm s abgeführt wird. Bei einer Schaufelwanc -icke von 0,5 cm entspricht das einem Δ T = 110 0 C ^7u. einer möglichen Gastemperatur von etwa ifa0ö° C für dieses Beispiel.

Es existiert eine Vielzahl von anderen Salzen, die für den Betrieb bei verschiedenen Temperaturen vorgesehen werden können. Es lässt sich weiterhin denken, dass der Betrieb bei erhöhtem Druck (P > 1 Atm) vorgenommen und damit die Wärmeabführung und somit Δ Τ weiter verbessert werden kann.

Die hohle Bauweise der Schaufel führt zu einer Verbesserung der Wirkungszahl στ/ί , in welcher & die Festigkeit, T die Betriebstemperatur, S die Gesamtdichte der Schaufel bedeutet.

In Fig. 1 sind im Schaufelfuss 2 noch Schweissstellen 7 eingetragen, durch die der Boden 6 mit dem Schaufelfuss 2 fest verbunden wird.

Dabei ist e.^ in ^prinzip ohne Bedeutung, ob die Kapillarschicht

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in den Hohlraum 3 nachträglich eingesetzt wird oder- gleichzeitig mit der kompletten Turbomaschinenschaufel gefertigt wird. Die Kapillare, .licht ist jedoch aus einer Legierung der vorher angegebenen Art zu erstellen, deren Eigenschaften nachstehend näher betrachtet werden.

Vorweg sei jedoch gesagt, dass nach Erstarrung der Legierung der Innenraum geätzt wird, so dass eine in Fig. 2 abgebildete Kapillaroberilache an der Innenseite der Wandungen entsteht.

In der nachfolgenden Tabelle I werden i_iiiige besonders gut geeignete Legierungen vorgeschlagen, obwohl grundsätzlich sämtliche eutektischen, über- oder untereutektischen Legierungen geeignet sind, in denen eine Kontrolle der Strukturbildungsbedingungen möglich ist.

Tabelle I

Legierungssystem
ot -Phase /3-Phase Schmelztemperatur

°C '

Fe C 1152

Fe Fe₃C 1145

Ni₃Nb Ni₃Al 1280

NiAl Cr 1445

^C°l-x^Crx ^Cr7-x^C°x^C3 ¹²⁹°

Ni₁^Cr_x Cr_?__xNi_xC₃ 1300

^Fel-x^Crx ^Cr7-x^Fex^C3 ¹³⁰°

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Für Hochtemperaturwerkstoffe, wie· s i <■ bei Ί ruboniaschinen notwendig sind, sind eutektische Legierungen, deren oC-Phase im wesentlichen durch ein Uebergangsrnetal 1 (Mh) der VIII. Gruppe und der U. Perioae des Periode systems und deren /3-Phase durch ein Karbid der Strukturgleichung Cr Me. C gobil'«t ist, besonders gut geeignet. Dabei werien unter Uebergangsmetallen Me die gleichwertig austauschbaren Stoffe, Eisen, Kobalt und Nickel verstanden.

Die Zusdinmensetzun,;sbereiche können mit iiiife eines ternären. beispielsweise des Co-Cr-C-Uiagramms, umrissen werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Darin bedeuten die Punkte A, 3, C und D die Eckpunkte des Berei hes, innerhalb welchem die Zusammensetzung beliebig variierbar ist.

Die Legierungen, deren Zusammensetzung auf der eutektischen Linie EF liegt, sind für besonders gute Ausrichtung der Faser-Struktur geeignet. Bei den anderen, also über- öder untereutektischen Legierungen, wird die Ausrichtung zwar schwieriger, jedoch lassen sich die Volumenanteile der beiden Phasen, Matrix Me und Karbid Cr₇ Me C, leicht variieren. Vorteilhafte Ergebnisse wurden mit einer eutektischen Legierung der Zusammensetzung 57 Gew % Co, UO.8 % Cr, 2,4 % C erhalten.

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Die Werte der vier angegebenen Eckpunkte A, B, C, D nach tig. i sind in der nachfolgenden Tabelle II wiedergegeben.

	Tabelle II	C
Co	Cr	1,55
78,45	20	1,55
63,45	35	5
60	35	5
45	50

A B C D

Die in Tabelle I erwähnte Legierung Co₁ Cr Cr„ Co C₃ gehört

.L^-X X /^eX X <3

zu einer neuen Legierungsgruppe, die die heute besten Superlegierungen in mechanischen Eigenschaften übertrifft und somit diese als nächste Legierungsgeneration ablesen könnte_s Bei hohler Ausbildung der daraus herzustellenden Schaufeln und Verwendung einer Wärmerohrkühlung lässt sich das notwendige Kapi.larnetz auf dem oboii beschriebenen Wege durch Ausätzen der Grundmasse

Co₁ Cr erhalten. Hierzu hat sich eine elektrolytische Aetzung χ^βχ χ

2 xn 5%iger KCl bei 5 V Spannung und 0.5 A/cm (Legierung als Anode geschaltet) für eine Dauer von 10 Minuten als vorteilhaft erwiesen.

Sinngemäss gelten die obigen Ausführungen auch für Dampfturbinen bzw. jede andere mögliche rotierende Maschine, deren

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rotierende Teile sich während ihrer Funktion erhitzen und aur eine warmeaorunrung entgegen aem veKtor aer zentrirugai kraft angewiesen sind.

Claims

- 12 - 164/70 Schutzansprüche

1. Turbomaschinenschaufel mit allreitig geschlossenem Hohlraum, in welchem ein Wärmetransportmedium zur Kühlung der Schaufel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Inr°nseiten des Hohlraumes (3) mit einer Kapillarschicht (5) versehen sind.

2. Turbomaschinenschaufel nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet j dass die Kapillarschicht aus einer mindestens zweiphasigen annähernd eutektischen Legierung besteht, die durch gerichtete Erstarrung aus der Schmelze eine räumliche Lamellenodar Gitterstruktur bildet und eine der Phasen mindestens teilweise herausgelöst ist.

3. Turbomaschinensc aufel nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Schaufel (1, 2) und der Kapillarschicht (5) aus einer¹ Mehrphasenlegierung gebildet ist.

4. Turbomaschinenschaufel nach den Schutzansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus einer ersten Phase (<*■), nämlich eines Uebergangsmetalles (Me) der VIII. Gruppe und der 4. Periode des Periodensystems und aus einer zweiten Phase (/?>), nämlich eines Karbids des jeweiligen Uebergangsmetalles (Me) nach der Struktur Cr₇ Me C„ gebildet ist.

/ ^— X X ο

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5. Turbomaschinenschaufel nach den Schutzansprüchen 1 ur.ä 2, aadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 45 bib 7S Gew.% Kobdlt, Rest Chrom-Kohlenst.ff mit bis su 2/-0 Anteil Kohlenstoff, besteht.

6. Turbomaschinenschaufel nach den Schutzansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 45 bis 79 Gew.% Nickel, Rest Chrom-Kohlenstoff mit bis zu 2/10 Anteil Kohlenstoff, besteht.

7. Turbomaschinenschaufel nach den Schutzanspi-üchen 1 und 2, da durch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 45 bis 79 Gew.% Eisen, Rest Chrom-Kohlenstoff mit bis zu 2/10 Anteil Kohlenstoff,besteht.

8. Turbomaschinenschaufel nach den Schutzansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 20 bis 60 Gew„% Chrom, Rest Nickel-Aluminium , '. 5/10 Anteil Aluminium, besteht.

9. Turbomaschinenschaufel nach den Schutzansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 5 bis 80 Gew.% Nickel-Niobid (Ni₀Nb), Rest Nickelaluminid (Ni Al), besteht.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE,