EP0132667B1 - Thermisch hochbeanspruchte, gekühlte Turbinenschaufel - Google Patents

Thermisch hochbeanspruchte, gekühlte Turbinenschaufel Download PDF

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EP0132667B1
EP0132667B1 EP84107962A EP84107962A EP0132667B1 EP 0132667 B1 EP0132667 B1 EP 0132667B1 EP 84107962 A EP84107962 A EP 84107962A EP 84107962 A EP84107962 A EP 84107962A EP 0132667 B1 EP0132667 B1 EP 0132667B1
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MTU Aero Engines GmbH
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MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/005—Selecting particular materials
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • Y10T428/12611—Oxide-containing component

Definitions

  • the invention relates to a thermally highly stressed cooled turbine blade, with a supporting metallic core, which has integrated cooling air guide grooves on its surface and with a heat-insulating jacket.
  • the object of the invention is to provide a thermally highly stressed cooled turbine blade of the type mentioned, which can be cooled particularly well and effectively in operation with a simple structure.
  • the jacket consists of a layer composite which is applied to the outside of a ceramic thermal insulation layer from a metal felt which is firmly connected to the webs of the cooling air guide grooves and covers the cooling air guide grooves.
  • the cooling air guide grooves are expediently already prefabricated during the investment casting process of the metallic support core or subsequently incorporated by milling, spark erosion or electrochemical removal.
  • a heat-insulating component from a layer composite, which consists of a metal felt layer, a ceramic cover layer and an intermediate metal layer connecting the other two.
  • the metal felt layer is supposed to compensate for the different thermal expansions of the ceramic cover layer and the metallic substrate by their elasticity.
  • the metal felt layer is not exposed to cooling air.
  • the metal felt is advantageously soldered, welded or glued to the webs of the cooling air guide grooves.
  • the support core webs and outer jacket are cast in one piece and are therefore comparatively complex to manufacture.
  • the metal felt suitably consists of a high-temperature and corrosion-resistant alloy, in particular based on nickel and / or cobalt (for example NiCr, NiCrAI, Hastelloy X, NiCrAIY alloy, CoCrAIY alloy).
  • a high-temperature and corrosion-resistant alloy in particular based on nickel and / or cobalt (for example NiCr, NiCrAI, Hastelloy X, NiCrAIY alloy, CoCrAIY alloy).
  • the metal felt serves as an elastic carrier material for a ceramic thermal barrier coating, which can be applied to the felt in various ways. For a particularly good hold, it is provided that the metal felt is partially infiltrated with ceramic from the outside and is coated on the outside with a compact ceramic layer which forms the actual thermal insulation layer.
  • the ceramic layer is expediently infiltrated and applied by thermal spraying or by a slip sintering process.
  • the layer can also be infiltrated and applied by chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • the ceramic layer expediently consists of partially or fully stabilized zirconium oxide. It can be applied to the metal felt by one of the aforementioned methods, but also by a combination of several of the aforementioned methods.
  • the outer surface of the actual ceramic thermal barrier coating is expediently polished and / or aerodynamically shaped in order to better serve turbine blade purposes.
  • the invention therefore creates a new cooling concept for a thermally highly stressed cooled turbine blade: the cooling configuration of the effusion cooling is combined with a thermal barrier coating, which means that the air effusion associated with high cooling air consumption can be reduced to reduce the heat transfer. Instead, the thermal insulation of a ceramic layer is used. The heat that still flows through the thermal insulation layer is optimally dissipated through the metal felt, which has a very large surface area, namely the heat is removed directly from the thermal insulation layer, so that the load-bearing metal support core of the highly stressed turbine blade remains comparatively cold. In comparison to effusion cooling, cooling air can be saved and the thermodynamic efficiency increased by the invention with the same cooling effectiveness.
  • the heat-insulating ceramic layer can be made much denser by the metal felt intermediate layer than when directly applied to the compact metallic base body, so that very good thermal insulation is possible.
  • the interior of a turbine blade 1 is shown schematically in FIG. 1.
  • the turbine blade 1 is composed of a metallic support core 2, a metal felt 4 surrounding the metallic support core 2 and a ceramic thermal insulation layer 6 surrounding the outside of the metal felt 4 in a composite construction.
  • the metal support core is a nickel-based alloy and has cooling air guide grooves 3 with webs 5 on its surface, to which the metal felt 4 is soldered, welded or glued.
  • the metal felt itself is based on NiCrAI, is provided as an elastic carrier material for the outer thermal insulation layer 6 and offers a large surface area for optimal dissipation of the heat flowing through the thermal insulation layer 6.
  • the outer heat insulation layer 6 is partially or fully stabilized zirconium oxide, with a good anchoring of the outer heat insulation layer 6 with the metal felt 4 by partial infiltration of the felt, preferably by chemical vapor deposition (CVD).
  • the infiltration layer of the felt is clearly shown in detail A in FIG. 2.
  • the compact zirconium oxide layer is deposited on it, which takes over the actual heat-insulating function.
  • the advantage of the invention is that the heat does not have to flow through the entire component during operation, but is supplied to the cooling medium in the shortest possible way, the heat flow being kept low overall due to the low thermal conductivity or ceramic layer, so that despite an increased gas temperature, a lower one Cooling air requirement is necessary.
  • the easily deformable metal felt 4 which is preferably a NiCrAI felt, which is made of heat-resistant, e.g. Nickel-based alloy is soldered onto the metallic support core, which allows the application of a very dense and comparatively thick ceramic layer (compared to the application on solid metallic substrates), since the differences in the thermal expansion between metal and ceramic due to the easy deformability of the metal felt do not lead to the build-up of leads to impermissible high voltages for the ceramic.
  • a turbine blade trailing edge is shown in detail B1, which is comparatively pointed and contains the ends of the enclosed metal felt 4.
  • the detail B2 illustrated in FIG. 3 is characterized by a different drive edge construction with a larger rounding.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermisch hochbeanspruchte gekühlte Turbinenschaufel, mit einem tragenden metallischen Kern, der an seiner Oberfläche integrierte Kühlluftführungsnuten aufweist und mit einem wärmedämmenden Mantel.
  • Da die Prozesstemperaturen von thermischen Kraftmaschinen in jüngerer Zeit immer höher geschraubt werden, andererseits aber keine Materialien gefunden werden konnten, die bei den extrem hohen Prozessteniperaturen genügend mechanische Festigkeit bzw. Dauerhaftigkeit aufweisen, geht man heute davon aus, dass Bauteile, die extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie z.B. Turbinenschaufeln von Gasturbinen, in jedem Fall mittels einer besonders vorzusehenden Kühlvorrichtung auf einem zulässigen Temperaturniveau gehalten werden müssen.
  • Neben vielen anderen Kühlvorrichtungen sind Entwicklungen bekannt, wonach thermisch hochbeansprüchte Turbinenschaufeln mit porösen Oberflächen versehen werden, durch die aus einem inneren Hohlraum heraus ein Kühlmedium nach aussen strömt und somit eine kühlende Grenzschicht an der Oberfläche der Turbinenschaufel ausbildet. Ein derartiges Kühlprinzip ist als sogenannte Effusionskühlung bekannt (vergleiche DE-A-25 03 285). Nachteilig ist hierbei der hohe Durchströmungswiderstand der Kühlluft sowie der grosse Kühlluftverbrauch für eine effektive Kühlung der äusseren Manteloberfläche.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer thermisch hochbeanspruchten gekühlten Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, die bei einfachem Aufbau im Betrieb besonders gut und effektiv gekühlt werden kann.
  • Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch, dass der Mantel aus einem Schichtverbund, der aus einem fest mit den Stegen der Kühlluftführungsnuten verbundenen und die Kühlluftführungsnuten abdeckenden Metallfilz auf den aussenseitig eine keramische Wärmedämmschicht aufgebracht ist, besteht. Die Kühlluftführungsnuten sind zweckmässigerweise bereits beim Feingussverfahren des metallischen Stützkerns vorgefertigt oder nachträglich durch Fräsen, Funkenerodieren oder elektrochemisches Abtragen eingearbeitet.
  • Aus der GB-A-2054 054 ist es zwar bekannt, ein wärmedämmendes Bauteil aus einem Schichtverbund aufzubauen, der aus einer Metallfilzschicht, einer keramsichen Deckschicht und einer dazwischen liegenden, die beiden anderen verbindenden Metällschicht, besteht.
  • Die Metallfilzschicht soll die unterschiedlichen Wärmedehnungen von keramischer Deckschicht und metallischem Untergrund durch ihre Elastizität ausgleichen. Eine Beaufschlagung der Metallfilzschicht mit Kühlluft findet dabei nicht statt.
  • In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Metallfilz vorteilhafterweise auf die Stege der Kühlluftführungsnuten aufgelötet, geschweisst oder geklebt. Nach dem Stand der Technik gemäss DE-A-25 03 285 sind Stützkernstege und Aussenmantel einstückig gegossen und mithin vergleichsweise aufwendig in der Fertigung.
  • Der Metallfilz besteht zweckmässigerweise aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierung, insbesondere auf Nickel-- und/ oder Kobaltbasis (beispielsweise NiCr, NiCrAI, Hastelloy X, NiCrAIY-Legierung, CoCrAIY-Legierung).
  • Der Metallfilz dient als elastisches Trägermaterial für eine keramische Wärmedämmschicht, die auf verschiedene Weise auf den Filz aufgebracht werden kann. Für einen besonders guten Halt ist vorgesehen, dass der Metallfilz von aussen teilweise mit Keramik infiltriert und aussen mit einer kompakten Keramikschicht überzogen ist, die die eigentliche Wärmedämmschicht bildet.
  • Die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht erfolgt zweckmässigerweise durch thermisches Spritzen oder durch ein Schlicker-Sinterverfahren.
  • Auch kann die Infiltration und Aufbringung der Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erfolgen.
  • Zweckmässigerweise besteht die Keramikschicht aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid. Die Aufbringung auf den Metallfilz kann durch eines der vorgenannten, aber auch durch Kombination von mehreren der vorgenannten Verfahren erfolgen.
  • Die äussere Oberfläche der eigentlichen keramischen Wärmedämmschicht ist zweckmässigerweise poliert und/oder aerodynamisch geformt, um Turbinenschaufelzwecken besser zu dienen.
  • Durch die Erfindung wird mithin eine neues Kühlungskonzept für eine thermisch hochbeanspruchte gekühlte Turbinenschaufel geschaffen: es wird die Kühlkonfiguration der Effusionskühlung mit einer Wärmedämmschicht kombiniert, wodurch auf die mit grossem Kühlluftverbrauch verbundene Lufteffusion zur Verminderung des Wärmeüberganges verzeichtet werden kann. Stattdessen wird die Wärmedämmung einer Keramikschicht ausgenutzt. Die noch durch die Wärmedämmschicht hindurchfliessende Wärme wird durch den Metallfilz, der eine sehr grosse Oberfläche besitzt, optimal abgeführt, und zwar wird die Wärme der Wärmedämmschicht direkt entzogen, so dass der die Belastung tragende metallische Stützkern der hochbeanspruchten Turbinenschaufel vergleichsweise kalt bleibt. Im Vergleich zur Effusionskühlung kann durch die Erfindung bei gleicher Kühlungseffektivität Kühlluft eingespart und der thermodynamische Wirkungsgrad gesteigert werden. Die wärmedämmende Keramikschicht kann durch die Metallfilz-Zwischenschicht wesentlich dichter als bei direkter Aufbringung auf den kompakten metallischen Grundkörper hergestellt werden, so dass eine sehr gute Wärmedämmung möglich ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
    • Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Turbinenschaufel,
    • Fig. 2 die Einzelheit A der Fig. 1 in grösserer schematischer Darstellung, und
    • Fig. 3 den Hinterkanten-Querschnitt der Turbinenschaufel in anderer Ausführung.
  • In Fig. 1 ist schematisch das Innere einer Turbinenschaufel 1 gezeigt. Die Turbinenschaufel 1 setzt sich aus einem metallischen Stützkern 2, einem den metallischen Stützkern 2 umschliessenden Metallfilz 4 und einer aussenseitig den Metallfilz 4 umschliessenden keramischen Wärmedämmschicht 6 in einer Verbundbauweise zusammen.
  • Der metallene Stützkern ist eine Nickelbasislegierung und besitzt an seiner Oberfläche eingearbeitete Kühlluftführungsnuten 3 mit Stegen 5, an denen der Metallfilz 4 aufgelötet, geschweisst oder angeklebt ist.
  • Der Metallfilz selbst ist auf NiCrAI-Basis aufgebaut, ist als elastisches Trägermaterial für die äussere Wärmedämmschicht 6 vorgesehen und bietet eine grosse Oberfläche zur optimalen Abführung der durch die Wärmedämmschicht 6 hindurchfliessenden Wärme.
  • Die äussere Wärmedämmschicht 6 ist teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid, wobei eine gute Verankerung der äusseren Wärmedämmschicht 6 mit dem Metallfilz 4 durch Teilinfiltration des Filzes erzielt wird, und zwar vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Die Infiltrationsschicht des Filzes ist deutlich in der Einzelheit A der Fig. 2 gezeigt. Auf ihr ist die kompakte Zirkonoxidschicht abgeschieden, die die eigentliche wärmedämmende Funktion übernimmt.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Wärme im Betrieb nicht durch das gesamte Bauteil fliessen muss, sondern auf kürzestem Wege dem Kühlmedium zugeführt wird, wobei der Wärmefluss durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit oder Keramikschicht insgesamt niedrig gehalten wird, so dass trotz gesteigerter Gastemperatur ein geringer Kühlluftbedarf notwendig ist.
  • Der leicht verformbare Metallfilz 4, der bevorzugt ein NiCrAI-Filz ist, der aus warmfester, z.B. Nickelbasislegierung auf den metallischen Stützkern aufgelötet ist, gestattet die Aufbringung einer sehr dichten und vergleichsweise dicken Keramikschicht (im Vergleich zur Aufbringung auf massive metallische Substrate), da die Unterschiede in der thermischen Dehnung zwischen Metall und Keramik durch die leichte Deformierbarkeit des Metallfilzes nicht zum Aufbau von für die Keramik unzulässigen hohen Spannungen führt.
  • In Fig. 1 ist in der Einzelheit B1 eine Turbinenschaufelhinterkante gezeigt, die vergleichsweise spitz ausgebildet ist und die Enden des eingeschlossenen Metallfilzes 4 enthält.
  • Die in Fig. 3 veranschaulichte Einzelheit B2 kennzeichnet sich durch eine andere Austriebskantenkonstruktion mit grösserer Rundung.

Claims (10)

1. Thermisch hochbeanspruchte gekühlte Turbinenschaufel (1 ), mit einem tragenden metallischen Kern (2), der an seiner Oberfläche integrierte Kühlluftführungsnuten (3) aufweist und mit einem wärmedämmenden Mantel, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel aus einem Schichtverbund, der aus einem fest mit den Stegen (5) der Kühlluftführungsnuten (3) verbundenen und die Kühlluftführungsnuten (3) abdekkenden Metallfilz (4) auf den aussenseitig eine keramische Wärmedämmschicht (6) aufgebracht ist, besteht.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilz (4) auf die Stege (5) aufgelötet, geschweisst oder geklebt ist.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilz (4) aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierung besteht.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilz (4) eine Legierung auf Nickel- und/oder Kobaltbasis ist.
5. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilz (4) von aussen teilweise mit Keramik (7) infiltriert und aussen mit einer kompakten Keramikschicht überzogen ist, die die eigentliche Wärmedämmschicht (6) bildet.
6. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht durch thermisches Spritzen erfolgt.
7. Turbinenschaufel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht durch ein Schlicker-Sinterverfahren erfolgt.
8. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht durch chemische Gasphasenabscheidung erfolgt.
9. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (6) aussen poliert und/oder aerodynamisch geformt ist.
10. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid besteht.
EP84107962A 1983-07-28 1984-07-07 Thermisch hochbeanspruchte, gekühlte Turbinenschaufel Expired EP0132667B1 (de)

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DE19833327218 DE3327218A1 (de) 1983-07-28 1983-07-28 Thermisch hochbeanspruchtes, gekuehltes bauteil, insbesondere turbinenschaufel

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EP0132667A1 EP0132667A1 (de) 1985-02-13
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