EP1606494A1 - Kühlbares schichtsystem - Google Patents

Kühlbares schichtsystem

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EP1606494A1
EP1606494A1 EP04717097A EP04717097A EP1606494A1 EP 1606494 A1 EP1606494 A1 EP 1606494A1 EP 04717097 A EP04717097 A EP 04717097A EP 04717097 A EP04717097 A EP 04717097A EP 1606494 A1 EP1606494 A1 EP 1606494A1
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EP
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cooling
layer system
coating
coolable
cooling channels
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Heinz-Jürgen GROSS
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades

Definitions

  • the invention relates to a coolable layer system according to the preamble of claim 1.
  • a layer system is known from US Pat. No. 5,080,557 in which a porous structure is arranged below a wall, through which a cooling medium flows. This layer structure is relatively thick and difficult to cool.
  • EP 1 007 271 B1 shows an impact-cooled gas turbine blade, which, however, has no cooling channels underneath the outer wall. The elevations serve to support the outer wall and do not form any cooling channels.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the coolable layer system
  • FIG. 2 shows another embodiment of a coolable
  • FIGS. 3, 4, 6 further modifications of the coolable layer system, and FIG. 5 a specially designed cooling duct.
  • FIG. 1 shows a coolable layer system 1.
  • the layer system 1 has a substrate 4.
  • the substrate 4 is, for example, a ceramic or a metal, in particular a superalloy (nickel- or cobalt-based) for gas turbine components (turbine blade, combustion chamber lining, ..).
  • At least one coating 7 is applied to the substrate 4.
  • a ceramic coating for example a thermal insulation layer 9 (FIG. 6), can also be applied to the coating 7.
  • At least one cooling channel 10 is formed here, for example, within the coating 7, i.e. the cooling channel 10 is formed by removing material of the coating 7 or by applying the
  • a coolant is supplied via a coolant supply 13, which is formed at least in the substrate 4 and leads into at least one cooling channel 10.
  • the cooling channels 10 are thus arranged in the immediate vicinity of an outer surface which can come into contact with a hot gas 8.
  • the coating 7, which is exposed to higher temperatures than the substrate 4, can thus be cooled better.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a coolable layer system 1.
  • cooling channels 10 are not arranged through channels within the coating 7, but rather, for example, through depressions 23 in the substrate 4.
  • the coating 7 forms part of the inner surface of the cooling channel 10 and closes it off from the outside.
  • cooling channels 10 it is also possible for the cooling channels 10 to be arranged both in the substrate 4 and in the coating 7.
  • FIG. 6 shows cooling channels 10 between two coatings 1, 9.
  • the cooling channel 10 can also be formed by a recess 23 (indicated by dashed lines) in the coating 7.
  • the cooling channels 10 according to FIGS. 1, 6 are produced, for example, as follows.
  • the webs with the filling material are then removed.
  • the material for the webs consists, for example, of graphite, which after being coated with the coating 7, 9 can be burned out or leached out. Other materials for the filling material are possible.
  • corresponding depressions 23 are made in the surface 22 of the substrate.
  • the recesses 23 are for example filled with a filler material, which prevents material. '"- the coating 7 penetrates in the coating of the substrate 4 in the cooling channels 10.
  • the filling material is removed again, so that the cooling channels 10 are created.
  • FIG. 3 shows the arrangement of cooling channels 10 according to FIGS. 1, 2 and 6 on a surface of a component 1 (layer system).
  • the layer system 1 is, for example, a turbine blade that extends along a radial direction 16.
  • At least one cooling duct 10 extends in an axial direction 19, perpendicular (90 °) to the radial direction 16.
  • the cooling channels 10 can also run at an angle deviating from 90 ° to the radial axis 16 (FIG. 4), for example approximately parallel to the radial direction 16 (0 °).
  • All cooling channels (10) can also extend in one direction. Groups of cooling channels can also run parallel to each other.
  • FIG. 4 shows a further possibility of arranging cooling channels 10 according to FIGS. 1, 2 and 6 on a surface 22 or a coating 7 of a component 1.
  • At least two cooling channels 10 intersect and are connected to one another, i.e. a cooling medium can flow from the cooling channel 10 into another cooling channel 10.
  • a cooling medium can flow from the cooling channel 10 into another cooling channel 10.
  • the surface to be cooled can be a partial area or the entire surface of an airfoil of a turbine blade (component 1). If a cooling channel 10 is blocked at one point, the cooling medium can still flow through the other cooling channels.
  • the cooling medium K flows into the cooling channels 10 ′ and 10 ′′, for example, via an inlet. From the cooling duct 10 ′′, the cooling medium passes directly into the cooling duct 10 ′′ ′′ and 10 ′′ ′′, etc.
  • the cooling channels 10 are arranged crosswise to one another in groups, for example, the cooling channels 10 running parallel to one another within a group.
  • Intersecting cooling channels 10 and meandering can also be used
  • Cooling channels 10 detect a surface to be cooled by connecting meandering cooling channels to intersecting cooling channels.
  • FIG. 5 shows a specially designed cooling duct 10, for example starting from FIG. 1.
  • the cooling duct 10 Since the cooling duct 10 is at least partially adjacent to the coating 7 (not shown) or to an outer wall, the cooling duct 10 of the layer system 1 to be produced has an opening 24 on the surface 22 without coatings or without an outer wall.
  • the angle ⁇ between the surface 22 and the inner surface of the cooling channel 10 at the opening 24 is one of
  • cooling channel 10 has undercuts 26 with respect to the surface 22.
  • thermal stresses between the coatings 7, 9 or the wall and the substrate 4 are reduced.
  • Such a cooling channel 10 with undercuts 26 can also be arranged in the coating 7 (FIG. 6).
  • a cooling channel 10 with undercuts 26 in the substrate 4 is produced, for example, with a milling cutter or grinding head 25, which is spherical, hemispherical or conical at one end.
  • a hole is made in the substrate 4 using the milling cutter 25 or another cylindrical drill by moving it in a drilling direction 29 almost perpendicular to the surface 22 of the substrate 4.
  • the cutter 25 is moved back and forth in a direction 32 perpendicular to the drilling direction 29, as indicated by the arrow, as a result of which the undercuts 26 are produced in the substrate 4.
  • the various positions of the milling cutter 25 during the back and forth movement are indicated by dashed lines.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
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Abstract

Auch Schichtsysteme mit Schutzbeschichtungen für den Heissgaseinsatz müssen gekühlt werden. Jedoch ist die Kühlung vielfach nicht ausreichend, da die Kühlkanäle relativ weit von der Aussenoberfläche des Schichtsystems entfernt angeordnet sind. Ein erfindungsgemässes gekühltes Schichtsystem (1) weist Kühlkanäle (10) auf, die sich kreuzen.

Description

Kühlbares Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein kühlbares Schichtsystem gemäß Oberbegriff der Anspruchs 1.
Aus der US-PS 5,080,557 ist ein Schichtsystem bekannt, bei dem unterhalb einer Wand eine poröse Struktur angeordnet ist, durch die ein Kühlmedium strömt. Dieser Schichtaufbau ist relativ dick und schlecht zu kühlen.
Die US-PS 5,820,337, die US-PS 5,640,767 sowie die US-PS 5,392,515 zeigen aus einem Substrat gebildete Turbinenschaufeln, bei denen unterhalb einer äußeren Wand, die dasselbe Material wie das Substrat aufweist, Kühlkanäle angeordnet sind. Die Kühlung der äußersten Beschichtung auf der äußeren Wand ist vielfach nicht ausreichend.
Die EP 1 007 271 Bl zeigt eine prallgekühlte Gasturbinenschaufel, die allerdings keine Kühlkanäle unterhalb der äußeren Wand aufweist. Die Erhebungen dienen zur Stützung der äußeren Wand und bilden keine Kühlkanäle.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Kühlung eines SchichtSystems zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein kühlbares Schichtsystem ge- mäss Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen zur Verbesserung des gekühlten Schichtsystems aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden erläutert.
Es zeigen FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des kühlbaren SchichtSystems, FIG 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kühlbaren
SchichtSystems, und die FIG 3, 4, 6 weitere Modifikationen des kühlbaren Schichtsystems, und FIG 5 einen speziell ausgebildeten Kühlkanal.
Figur 1 zeigt ein kühlbares Schichtsystem 1.
Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf. Das Substrat 4 ist beispielsweise eine Keramik oder ein Metall, insbesondere eine Superlegierung (nickel- oder kobaltbasiert) für Gasturbinenbauteile (Turbinenschaufel, Brennkammerauskleidung, .. ) . Auf dem Substrat 4 ist zumindest eine Beschichtung 7 aufgebracht. Die Beschichtung 7 kann eine metallische MCrAlY-Be- schichtung sein, wie sie bei Gasturbinenschaufeln verwendet wird (M= Cr oder Fe oder Ni; Y= Yttrium oder Seltenes Erdelement) . Darüber hinaus kann auf der Beschichtung 7 noch eine keramische Beschichtung, beispielsweise eine Wärmedämmschicht 9 (Fig. 6) , aufgebracht sein.
Ausgehend von der Oberfläche 22 des Substrats 4 ist hier zumindest ein Kühlkanal 10 bspw. innerhalb der Beschichtung 7 ausgebildet, d.h. der Kühlkanal 10 entsteht durch Entfernen von Material der Beschichtung 7 oder durch Auftragen der
Beschichtung 7 unter Aussparung eines entsprechenden
Hohlraums . Somit wird der größte Teil der Umfangsflache des Kühlkanals
10 durch die Beschichtung 7 gebildet. Die Oberfläche 22 bleibt meistens unbearbeitet. Eine Zufuhr von einem Kühlmedium erfolgt über eine Kühlmittelzufuhr 13, die zumindest im Substrat 4 ausgebildet ist und in zumindest einen Kühlkanal 10 führt.
Die Kühlkanäle 10 sind somit in der unmittelbaren Nähe einer äußeren Oberfläche, die mit einem Heißgas 8 in Kontakt treten kann, angeordnet. So kann die Beschichtung 7, die höheren Temperaturen ausgesetzt ist als das Substrat 4, besser gekühlt werden.
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kühlbaren Schichtsystems 1.
Hier sind die Kühlkanäle 10 nicht durch Kanäle innerhalb der Beschichtung 7, sondern bspw. durch Vertiefungen 23 im Substrat 4 angeordnet.
Die Beschichtung 7 bildet einen Teil der Innenfläche des Kühlkanals 10 und schließt diesen nach außen hin ab.
Ebenso ist es möglich, dass die Kühlkanäle 10 sowohl im Sub- strat 4 als auch in der Beschichtung 7 angeordnet sind.
Figur 6 zeigt Kühlkanäle 10 zwischen zwei Beschichtungen 1 , 9. Der Kühlkanal 10 kann auch durch eine Vertiefung 23 (gestrichelt angedeutet) in der Beschichtung 7 ausgebildet sein.
Die Kühlkanäle 10 gemäss Figuren 1, 6 werden beispielsweise wie folgt hergestellt.
Auf der Oberfläche 22 des Substrats 4 bzw. der Oberfläche der Beschichtung 7 werden Bahnen mit einem Füllmaterial gelegt, die im Querschnitt den herzustellenden Kühlkanälen 10 entsprechen. Das Substrat 4 bzw. die Beschichtung 7 wird dann mit der Beschichtung 7 bzw. der Beschichtung 9 beschichtet (Plasma- spritzen, Physical Vapour Deposition (PVP) , Chemical Vapour Deposition (CVD) ,...).
Anschließend werden die Bahnen mit dem Füllmaterial entfernt. Das Material für die Bahnen besteht beispielsweise aus Graphit, das nach der Beschichtung mit der Beschichtung 7, 9 ausgebrannt oder ausgelaugt werden kann. Andere Materialien für das Füllmaterial sind möglich.
Für die Herstellung der Kühlkanäle 10 gemäss Figur 2 werden in die Oberfläche 22 des Substrats entsprechende Vertiefungen 23 eingebracht. Die Vertiefungen 23 werden bspw. mit einem Füllmaterial aufgefüllt, das verhindert, dass Material'"-der Beschichtung 7 bei der Beschichtung des Substrats 4 in die Kühlkanäle 10 eindringt.
Nach der Aufbringung der Beschichtung 7 oder der Aufbringung einer äußeren Wand wird das Füllmaterial wieder entfernt, so dass die Kühlkanäle 10 entstehen.
Figur 3 zeigt die Anordnung von Kühlkanälen 10 gemäss Figuren 1, 2 und 6 auf einer Oberfläche eines Bauteils 1 (Schichtsystem) . Das Schichtsystem 1 ist beispielsweise eine Turbinenschaufel, die sich entlang einer radialen Richtung 16 erstreckt.
Zumindest ein Kühlkanal 10 erstreckt sich in einer axialen Richtung 19, senkrecht (90°) zur radialen Richtung 16.
Die Kühlkanäle 10 können auch in einem von 90° abweichenden Winkel zur radialen Achse 16 verlaufen (FIG 4), bspw. etwa parallel zur radialen Richtung 16 (0°).
Es können sich auch alle Kühlkanäle (10) in einer Richtung erstrecken. Gruppen von Kühlkanälen können auch parallel zueinander verlaufen. Figur 4 zeigt eine weitere Anordnungsmöglichkeit von Kühlkanälen 10 gemäss Figuren 1, 2 und 6 auf einer Oberfläche 22 oder einer Beschichtung 7 eines Bauteils 1.
Zumindest zwei Kühlkanäle 10 kreuzen sich und stehen miteinander in Verbindung, d.h. ein Kühlmedium kann aus den Kühlkanal 10 in einen anderen Kühlkanal 10 strömen. Dadurch sind aufwendige, mäanderförmige Kühlkanäle überflüssig, da durch das Kreuzmuster der Kühlkanäle 10 zumindest teilweise, insbesondere die gesamte zu kühlende Oberfläche des Bauteils 1 erfasst wird, d.h. das Kreuzmuster und die Kreuzungen der Kühlkanäle erstreckt sich zumindest teilweise oder ganz über oder unterhalb der zu kühlenden Oberfläche. In Figur 4 sind bspw. acht Kreuzungen von Kühlkanälen 10 vorhanden.
Die zu kühlende Oberfläche kann ein Teilbereich oder die gesamte Oberfläche eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel (Bauteil 1) sein. Wenn ein Kühlkanal 10 an einer Stelle verstopft ist, kann das Kühlmedium trotzdem über die anderen Kühlkanäle weiterfliessen.
Das Kühlmedium K strömt über ein Einlass bspw. in die Kühlkanäle 10' und 10'' ein. Aus dem Kühlkanal 10' ' gelangt das Kühlmedium unmittelbar in den Kühlkanal 10 ' ' ' und 10' ' ' ', usw..
Die Kühlkanäle 10 sind hier beispielsweise in Gruppen kreuzweise zueinander angeordnet, wobei die Kühlkanäle 10 innerhalb einer Gruppe parallel zueinander verlaufen.
Andere Anordnungen von sich kreuzenden Kühlkanälen 10 sind denkbar.
Auch können sich kreuzende Kühlkanäle 10 und mäanderförmige
Kühlkanäle 10 eine zu kühlende Oberfläche erfassen, indem sich mäanderförmige Kühlkanäle an sich kreuzende Kühlkanäle anschliessen. Figur 5 zeigt ein speziell ausgebildeten Kühlkanal 10, bspw. ausgehend von FIG 1.
Da der Kühlkanal 10 zumindest teilweise an die nicht darge- stellte Beschichtung 7 oder an eine äußere Wand angrenzt, weist der Kühlkanal 10 des herzustellenden Schichtsystems 1 ohne Beschichtungen oder ohne äußere Wand an der Oberfläche 22 eine Öffnung 24 auf. Der Winkel α zwischen der Oberfläche 22 und der Innenober- fläche des Kühlkanals 10 an der Öffnung 24 weist einen von
90° verschiedenen Wert auf. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal 10 gegenüber der Oberfläche 22 Hinterschneidungen 26 aufweist . Dadurch werden bei einem hohen thermischen Gradient zwischen äußerer heißer Beschichtung 7,9 oder der Wand und Kühlkanal 10 thermische Spannungen zwischen den Beschichtungen 7, 9 oder der Wand und dem Substrat 4 reduziert.
Ein solcher Kühlkanal 10 mit Hinterschneidungen 26 kann auch in der Beschichtung 7 angeordnet sein (FIG 6) .
Ein Kühlkanal 10 mit Hinterschneidungen 26 in dem Substrat 4 wird beispielsweise mit einem Fräser oder Schleifkopf 25 hergestellt, der an einem Ende kugel-, halbkugel- oder kegelförmig ausgebildet ist, hergestellt. Zuerst wird mit dem Fräser 25 oder einem anderen zylindrischen Bohrer ein Loch in dem Substrat 4 erzeugt, indem er in einer Bohrrichtung 29 nahezu senkrecht zur Oberfläche 22 des Substrats 4 bewegt wird. Dann erfolgt ein durch Hin- und Herbewegen des Fräsers 25 in einer Richtung 32 senkrecht zur Bohrrichtung 29, wie durch den Pfeil angedeutet, wodurch die Hinterschneidungen 26 im Substrat 4 erzeugt werden. Die verschiedenen Stellungen des Fräsers 25 bei der Hin- und Herbewegung sind gestrichelt angedeutet.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlbares Schichtsystem (1), zumindest bestehend aus einem Substrat (4) und zumindest einer Beschichtung (7) auf dem Substrat (4), wobei Kühlkanäle (10) zur Kühlung verwendet werden, wobei die Kühlkanäle (10) zumindest teilweise an die Beschichtung (7) angrenzen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zumindest zwei Kühlkanäle (10) sich kreuzen, so dass durch die sich kreuzenden Kühlkanäle (10) die zu kühlende Oberfläche erfasst wird.
2. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das kühlbare SchichtSystem (1) sich in einer radialen Richtung (16) erstreckt, und dass zumindest ein Kühlkanal (10) einen Winkel von 0° zur radialen Ausrichtung (16) aufweist.
3. Kühlbares SchichtSystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das kühlbare Schichtsystem (1) sich in einer radialen Richtung (16) erstreckt, und dass zumindest ein Kühlkanal (10) einen Winkel von 90° zur radialen Ausrichtung (16) aufweist.
. Kühlbares Schicht system nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das kühlbare Schichtsystem (1) sich in einer radialen Richtung (16) erstreckt, und dass zumindest ein Kühlkanal (10) einen Winkel von grös- ser 0° bis kleiner 90° zur radialen Ausrichtung (16) aufweist.
5. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zumindest ein Kühlkanal (10) zumindest teilweise innerhalb der Beschichtung (7) angeordnet ist.
β. Kühlbares Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zumindest ein Kühlkanal (10) zwischen zwei Beschichtun- gen (7, 9) angeordnet ist.
7. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zumindest ein Kühlkanal (10) zumindest eine Hinter- schneidung (26) aufweist.
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