EP2135718A2 - Verfahren zur Herstellung von Filmkühlungskanälen in einer Heissgasgehäusewand einer Gasturbine sowie Heissgasgehäuse einer Gasturbine - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Filmkühlungskanälen in einer Heissgasgehäusewand einer Gasturbine sowie Heissgasgehäuse einer Gasturbine Download PDF

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EP2135718A2
EP2135718A2 EP09162084A EP09162084A EP2135718A2 EP 2135718 A2 EP2135718 A2 EP 2135718A2 EP 09162084 A EP09162084 A EP 09162084A EP 09162084 A EP09162084 A EP 09162084A EP 2135718 A2 EP2135718 A2 EP 2135718A2
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EP
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hot gas
gas housing
water jet
film cooling
housing wall
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Wilfried Storch
Günter Gnirss
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
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Publication date
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/04—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass
    • B24C1/045—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass for cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/26—Perforating by non-mechanical means, e.g. by fluid jet
    • 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
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • the invention relates to a method for producing film cooling channels in a hot gas housing wall of a gas turbine component and to a hot gas housing of a gas turbine component.
  • gas turbine hot gas housings Due to their direct exposure to hot gases forming within a combustion chamber, gas turbine hot gas housings are subject to very high thermal loads, which must be counteracted with suitable cooling measures in order to avoid thermally induced material damage. In most cases, this part of the compressed compressed air in the compressor combustion air is diverted and fed specifically for the purpose of cooling the thermally particularly stressed areas of the hot gas housing.
  • a gas turbine housing refer to, in which the hot gas housing is surrounded by an outer shell, which includes a gap with the outer wall of the hot gas housing, is fed into the cooling air from the compressor stage.
  • the outer shell is perforated with so-called cooling air inlet openings, passes through the cooling air and can unfold its cooling effect on the hot gas housing by means of impingement cooling.
  • Another cooling measure that can be realized alternatively or in combination with the above-mentioned cooling measures can, provides openings within the hot gas housing, is mixed by the cooling air directly into the hot gas stream, which forms a kind of film cooling on the inner surface of the hot gas housing by the flow dynamics of the hot gas stream.
  • hot gas enclosure walls have wall thicknesses of 6mm or more and are also made of high temperature nickel alloys such as Ni300 / Ni75Ti / Ni340 or similar materials.
  • the invention has for its object to provide a method for producing film cooling channels in a hot gas housing wall of a gas turbine, with which it is possible to produce film cooling channels with a cooling channel diameter of greater than 0.5 mm and less than 4 mm in a reliable manner and this under industrial manufacturing requirements.
  • the manufacturing process required for this purpose should be used regardless of the material quality as well as regardless of the wall thickness of the hot gas housing.
  • the method should be flexible, so that both hot gas housing in its complete training, and only parts thereof can be provided with film cooling channels immediately prior to installation in an existing gas turbine plant.
  • the hot gas housing wall in the form of a semi-finished product or at least a portion of the hot gas housing wall and to pressurize them by means of water jet drilling under specification of the water jet drilling determining parameters such that the hot gas housing wall at predeterminable housing wall positions completely penetrating holes with a bore diameter in the area each smaller 4mm and greater than 0.5 mm is obtained.
  • the bore diameter is less than 4 mm, preferably between 1 mm and 2 mm. Furthermore, it has been shown that using the water jet drilling technology required for optimized film cooling film cooling channels in the required geometrical dimension and quality in all types of materials as well as wall thicknesses that are typically used for hot gas, can be produced and this especially under the conditions of industrial production conditions.
  • a per se known water jet nozzle head is preferably attached to a three-axis kinematics and positioned as close to the outer wall of the hot gas housing, so that the emerging from the Wasserstrahlbohrkopf water jet with an operating pressure between 2000 bar and 4500 bar can act locally on the perforated hot gas housing wall ,
  • the drilling / cutting properties of the water jet occurring here are based on a concentration of high energy in the smallest space while converting the pressure energy into kinetic energy.
  • an abrasive for example in the form of garnet sand, is added to the water jet, whereby a process of micromachining takes place on the hot gas housing wall material to be drilled or cut.
  • the water jet nozzle head is preferably positioned at a distance of between 0.6 mm and 1.5 mm with respect to the hot gas housing wall.
  • the directed onto the surface of the hot gas housing water jet is adjusted to material-specific processing parameters, such as water pressure, flow rate, nozzle opening, aggregate and associated grain size and quantity and distance between the nozzle head and hot gas housing surface.
  • each spatially to be positioned water jet nozzle head the preparation of the individual film cooling channels within the hot gas housing wall cyclically behind one another, so that the water jet nozzle head to create each individual film cooling channel is positioned exactly relative to the hot gas housing.
  • a particularly preferred arrangement of film cooling channels provides a distribution of film cooling channels within the hot gas housing wall, which is formed in a nest-like manner in several rows.
  • film cooling channels are spaced along a line with a mutual spacing of at least 10mm.
  • the line defined by the linear juxtaposition of the individual film cooling channels preferably extends orthogonally to the hot gas flow, which is enclosed by the hot gas housing.
  • a plurality of lines are provided with film cooling channels spaced apart from one another in the flow direction, wherein the film cooling channels adjacent row rows are each staggered in the flow direction of the hot gas flow, such that adjacent film cooling channels are in gap.

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Abstract

Die Erfindung zeichnet sich durch die Kombination folgender Verfahrensschritte aus: - Bereitstellen einer als Halbfertigerzeugnis vorliegenden Heissgasgehäusewand oder einem Teil einer solchen, - Durchbohren der Heissgasgehäusewand mittels Wasserstrahlbohrtechnik unter Vorgabe von die Wasserstrahlbohrung bestimmenden Bohrparametern derart, dass die Heissgasgehäusewand an vorgebbaren Gehäusewandpositionen vollständig durchsetzende Bohrungen mit einem Bohrungsdurchmesser, der im Bereich jeweils kleiner 4 mm und größer 0,5 mm liegt, erhält.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Filmkühlungskanälen in einer Heissgasgehäusewand einer Gasturbinenkomponente sowie auf ein Heissgasgehäuse einer Gasturbinenkomponente.
    • Stand der Technik
  • Gasturbinen-Heissgasgehäuse unterliegen aufgrund ihrer unmittelbaren Exposition zu den sich innerhalb einer Brennkammer ausbildenden Heissgasen sehr hohen thermischen Belastungen, denen es mit geeigneten Kühlmaßnahmen entgegenzutreten gilt, um thermisch bedingte Materialschäden zu vermeiden. Zumeist wird hierzu ein Teil der im Verdichter komprimierten Verbrennungsluft abgezweigt und zum Zwecke der Kühlung gezielt den thermisch besonders belasteten Bereichen des Heissgasgehäuses zugeführt.
  • Aus der DE 28 36 539 ist ein Gasturbinengehäuse zu entnehmen, bei dem das Heissgasgehäuse von einer Außenschale umgeben ist, die mit der Außenwand des Heissgasgehäuses einen Zwischenraum einschließt, in den Kühlluft aus der Verdichterstufe eingespeist wird. Zur Verbesserung der durch die Kühlluft auf die Außenwand des Heissgasgehäuses einwirkenden Kühlwirkung ist die Außenschale mit sogenannten Kühllufteintrittsöffnungen perforiert ausgebildet, durch die Kühlluft hindurchtritt und im Wege der Prallkühlung auf das Heissgasgehäuse ihre Kühlwirkung zu entfalten vermag. Eine weitere Kühlmaßnahme, die alternativ oder in Kombination mit den vorstehend bezeichneten Kühlmaßnahmen realisiert sein kann, sieht Öffnungen innerhalb des Heissgasgehäuses vor, durch die Kühlluft direkt in den Heissgasstrom beigemischt wird, wodurch sich durch die Strömungsdynamik des Heissgasstromes eine Art Filmkühlung an der Innenfläche des Heissgasgehäuses ausbildet.
  • Üblicherweise werden die zur Filmkühlung erforderlichen und die Wand des Heissgasgehäuses vollständig durchragenden Kühlluftkanäle in thermisch besonders belasteten Zonen mittels mechanischen Bohrens vorgesehen, jedoch stoßen die hierfür zur Verfügung stehenden Bohrwerkzeuge aufgrund der großen Werkstoffhärte sowie der beträchtlichen Wandstärke des Heissgasgehäuses an Belastungsgrenzen, insbesondere im Hinblick auf die Schaffung von einer möglichst großen Vielzahl derartiger Filmkühlungskanäle mit Kanal- bzw. Bohrdurchmessern von kleiner 4 mm. Üblicherweise weisen Heissgasgehäusewände Wandstärken von 6 mm und mehr auf und bestehen zudem aus hochwarmfesten Nickellegierungen, wie beispielsweise Ni300/Ni75Ti/Ni340 oder ähnlichen Werkstoffen.
  • Verfügbare Bohrwerkzeuge unterliegen bei derartigen Heissgasgehäusewerkstoffen einem hohen Verschleiß und vermögen zudem kleiner dimensionierte Filmkühlungskanäle, also Kanäle mit Kanaldurchmessern von kleiner 4 mm keineswegs in hoher Stückzahl und in wirtschaftlicher Weise zu erzeugen. Numerische Modellrechnungen zeigen jedoch eine deutliche Verbesserung des sich innerhalb eines Heissgasgehäuses ausbildenden Filmkühlungseffekts bei einer Vielzahl nestartig angeordneter Bohrungen im Durchmesserbereich von 1 mm bis 2 mm.
  • Alternativ bekannte Bohrverfahren, wie beispielsweise das Laserbohren oder das Elektronenstrahlbohren, vermögen hingegen lediglich Durchgangskanäle mit einem Kanaldurchmesser kleiner 0,5 mm in zufriedenstellender Weise zu realisieren, so dass ein Rückgriff auf derartige alternative Bohrtechniken als gleichfalls nicht geeignet erscheint.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Filmkühlungskanälen in einer Heissgasgehäusewand einer Gasturbine anzugeben, mit dem es möglich ist, Filmkühlungskanäle mit einem Kühlkanaldurchmesser von größer 0,5 mm und kleiner 4 mm in zuverlässiger Weise herzustellen und dies unter industriellen Fertigungsanforderungen. Das hierfür erforderliche Herstellungsverfahren soll unabhängig von der Werkstoffqualität sowie auch unabhängig von der Wandstärke des Heissgasgehäuses einsetzbar sein. Überdies soll das Verfahren flexibel einsetzbar sein, so dass sowohl Heissgasgehäuse in ihrer vollständigen Ausbildung, als auch nur Teile davon unmittelbar vor dem Einbau in eine bestehende Gasturbinenanlage mit Filmkühlungskanälen versehen werden können.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ferner ist ein lösungsgemäßes Heissgasgehäuse für den Betrieb einer Gasturbinenanlage angegeben, das über optimierte Filmkühlungseigenschaften verfügt. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche oder sind der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
  • Lösungsgemäß ist erkannt worden, dass unter Verwendung einer geeigneten Wasserstrahlbohrtechnik eine gewünschte Perforation bereits bestehender Heissgasgehäuseteile möglich ist. So gilt es, die Heissgasgehäusewand in Form eines Halbfertigerzeugnisses oder wenigstens einen Teil der Heissgasgehäusewand bereitzustellen und diese mittels Wasserstrahlbohrtechnik unter Vorgabe von die Wasserstrahlbohrung bestimmenden Bohrparametern derart zu beaufschlagen, dass die Heissgasgehäusewand an vorgebbaren Gehäusewandpositionen vollständig durchsetzende Bohrungen mit einem Bohrungsdurchmesser, der im Bereich jeweils kleiner 4mm und größer 0,5 mm liegt, erhält.
  • So konnte durch numerische Simulationsrechnungen gezeigt werden, dass sich eine markante Verbesserung des Filmkühlungseffektes einstellt, sofern die Heissgasgehäusewand mit einer Vielzahl nestartig verteilt angeordneter Filmkühlkanäle versehen wird, deren Bohrungsdurchmesser kleiner 4 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm, betragen. Ferner konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung der Wasserstrahlbohrtechnik die für eine optimierte Filmkühlung erforderlichen Filmkühlungskanäle in der hierfür erforderlichen geometrischen Dimension und Qualität in sämtlichen Werkstoffarten sowie auch Wandstärken, die typischerweise für Heissgasgehäuse verwendet werden, herstellbar sind und dies insbesondere auch unter Maßgabe industrieller Produktionsbedingungen.
  • Zur Durchführung des Bohrverfahrens wird ein an sich bekannter Wasserstrahldüsenkopf vorzugsweise an einer Dreiachskinematik angebracht und möglichst nah an der Außenwand des Heissgasgehäuses positioniert, so dass der aus dem Wasserstrahlbohrkopf austretende Wasserstrahl mit einem Betriebsdruck zwischen 2000 bar und 4500 bar lokal auf die zu perforierende Heissgasgehäusewand einwirken kann. Die hierbei auftretenden Bohr-/Schneideigenschaften des Wasserstrahls beruhen auf einer Konzentration hoher Energie auf kleinstem Raum unter Umwandlung der Druckenergie in kinetische Energie. Dem Wasserstrahl wird darüber hinaus ein Abrasivmittel, beispielsweise in Form von Granatsand, zugegeben, wodurch ein Prozess der Mikrozerspanung an dem zu bohrenden bzw. zu schneidenden Heissgasgehäusewandmaterial stattfindet. Der Wasserstrahldüsenkopf wird hierzu vorzugsweise in einem Abstand zwischen 0,6 mm und 1,5 mm gegenüber der Heissgasgehäusewand positioniert. Der auf die Oberfläche des Heissgasgehäuses gerichtete Wasserstrahl wird nach werkstoffspezifischen Bearbeitungsparametern eingestellt, wie Wasserdruck, Fördermenge, Düsenöffnung, Zuschlagstoff und damit verbunden Körnung und Menge sowie Abstand zwischen Düsenkopf und Heissgasgehäuseoberfläche.
  • Durch die Verwendung eines einzigen, jeweils räumlich zu positionierenden Wasserstrahldüsenkopfes erfolgt die Herstellung der einzelnen Filmkühlungskanäle innerhalb der Heissgasgehäusewand taktweise hintereinander, so dass der Wasserstrahldüsenkopf zur Schaffung jedes einzelnen Filmkühlungskanals exakt relativ zum Heissgasgehäuse zu positionieren ist.
  • Zu Zwecken der Ausbildung einer möglichst optimierten Filmkühlung innerhalb des Heissgasgehäuses sieht eine besonders bevorzugte Anordnung von Filmkühlungskanälen eine in mehreren Zeilen nestförmig ausgebildete Verteilung von Filmkühlungskanälen innerhalb der Heissgasgehäusewand vor. Mit einem bevorzugten Bohrungsdurchmesser zwischen 1 mm und 2 mm werden längs einer Zeile Filmkühlungskanäle mit einem gegenseitigen Abstand von wenigstens 10 mm angeordnet. Hierbei erstreckt sich die durch die lineare Aneinanderreihung der einzelnen Filmkühlungskanäle definierte Zeile vorzugsweise orthogonal zur Heissgasströmung, die von dem Heissgasgehäuse umschlossen wird. Zusätzlich werden in Strömungsrichtung jeweils beabstandet zueinander mehrere Zeilen mit Filmkühlungskanälen vorgesehen, wobei die Filmkühlungskanäle benachbarter Zeilenreihen jeweils in Strömungsrichtung der Heissgasströmung versetzt angeordnet sind, dergestalt, dass benachbarte Filmkühlungskanäle auf Lücke stehen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen von Filmkühlungskanälen in einer Heissgasgehäusewand einer Gasturbine
    gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
    - Bereitstellen einer als Halbfertigerzeugnis vorliegenden Heissgasgehäusewand oder eines Teils einer solchen,
    - Durchbohren der Heissgasgehäusewand mittels Wasserstrahlbohrtechnik unter Vorgabe von die Wasserstrahlbohrung bestimmenden Bohrparametern derart, dass die Heissgasgehäusewand vollständig durchsetzende Bohrungen mit einem Bohrungsdurchmesser, der im Bereich jeweils kleiner 4 mm und größer 0,5 mm liegt, erhält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Heissgasgehäuse aus einer hochwarmfesten Nickellegierung, insbesondere Ni300/Ni75Ti/Ni340, besteht und eine Gehäusewanddicke von 5 mm bis 20 mm aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die den Bohrungen entsprechenden Filmkühlungskanäle jeweils einen Bohrungsdurchmesser zwischen 1 mm und 2 mm erhalten.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim Wasserstrahlbohren ein Wasserstrahldüsenkopf eingesetzt wird, der taktweise einzelne Bohrungen nacheinander in das Heissgasgehäuse unter Vorgabe eines die räumliche Anordnung der einzelnen Bohrungen festlegenden Raummusters einbringt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim Wasserstrahlbohren ein Wasserstrahldüsenkopf eingesetzt wird, durch den ein mit einem Granulat versetzter Wasserstrahl mit einem Druck in dem Bereich zwischen 2000 bar und 4500 bar auf das Heissgasgehäuse gerichtet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Granulat ein silikatisches, metallfreies Material verwendet wird.
  7. Heissgasgehäuse für den Betrieb einer Gasturbinenanlage, das stromab einer Brennkammer zum Zuführen der in der Brennkammer erzeugten Heissgase in die Gasturbinenstufe angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Heissgasgehäusewand wenigstens bereichsweise eine Vielzahl zeilen- oder nestförmig angeordneter, die Heissgasgehäusewand vollständig durchsetzender Bohrungen mit jeweils einem Bohrdurchmesser zwischen 0,5 mm und kleiner 4 mm vorgesehen ist, durch die Kühlluft unter Ausbildung einer Filmkühlung der Heissgasgehäusewand leitbar ist.
  8. Heissgasgehäuse nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Filmkühlungskanäle in der Heissgasgehäusewand zeilenförmig und mit einem gegenseitigen Stegabstand von wenigstens 10 mm angeordnet sind, und
    dass die Zeilenerstreckung längs der Heissgasgehäusewand orthogonal zu einer Heissgasströmung, die von dem Heissgasgehäuse umschlossen wird, orientiert ist.
  9. Heissgasgehäuse nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Zeilenreihen in Strömungsrichtung der Heissgasströmung hintereinander im Heissgasgehäuse angeordnet sind, und die Filmkühlungskanäle benachbarter Zeilenreihen derart versetzt angeordnet sind, dass deren Filmkühlungskanäle jeweils auf Lücke stehen.
EP09162084.9A 2008-06-18 2009-06-05 Verfahren zur Herstellung von Filmkühlungskanälen in einer Heissgasgehäusewand einer Gasturbine sowie Heissgasgehäuse einer Gasturbine Withdrawn EP2135718A3 (de)

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