ES2281020T3 - Sistema de capas de alta temperatura para la disipacion de calor y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Sistema de capas de alta temperatura para la disipacion de calor y procedimiento para su fabricacion. Download PDF

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Abstract

REIVINDICACIONES 1.- Sistema de capas (1), que está constituido por al menos un substrato (4) y una capa (10) al menos parcialmente porosa sobre el substrato (4), en el que un poro (25) de la capa porosa (10) está delimitado en cada caso por paredes de poros (22), cuyas paredes de poros (22) están adyacentes, en parte, a una superficie (9, 14) del substrato (4), caracterizado porque las paredes de poros (22), que están adyacentes a la superficie (9, 14), presentan en la zona de la superficie (9, 14) del substrato (4) un área de la sección transversal incrementada en comparación con las paredes de poros (22), que no están adyacentes a la zona de la superficie (9, 14), de manera que se consigue una unión mecánica mejorada de las paredes de poros (22) en el substrato (4).

Description

Sistema de capas de alta temperatura para la disipación de calor y procedimiento para su fabricación.
La invención se refiere a un sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 y a un procedimiento para la fabricación de un sistema de capas de acuerdo con las reivindicaciones 27 y 33, respectivamente.
El documento US-PS 3.825.364 muestra una pared exterior, que está configurada totalmente porosa. En este esta pared de soporte y un substrato está presente una cavidad.
El documento US-PS 5.080.557 muestra una estructura de capas que está constituida por un substrato, una capa intermedia porosa y una capa exterior absolutamente hermética.
El documento US-PS 4.318.666 muestra, en comparación con el documento US-PS 5.080.557, canales de refrigeración adicionales en el substrato, sobre el que están aplicadas una capa intermedia porosa y una capa exterior hermética.
El documento JP 10-231 704 muestra un substrato con canales de refrigeración y con una capa intermedia porosa.
El documento WO 03/006883 así como el documento US 6.412.541 muestran una estructura porosa dentro de una pared de soporte, en la que la pared presenta de nuevo en el exterior un recubrimiento. La pared y el recubrimiento presentan canales de refrigeración.
Las estructuras de capas presentan, sin embargo, una mala refrigeración.
Por lo tanto, el cometido de la invención es mejorar la refrigeración en una estructura de capas.
El cometido se soluciona a través de una estructura de capas de acuerdo con la reivindicación 1 y a través de un procedimiento para la fabricación de una estructura de capas de acuerdo con las reivindicaciones 27 y 33, respectivamente.
En las reivindicaciones dependientes se indican otras medidas ventajosas. Las medidas indicadas en las reivindicaciones dependientes se pueden combinar entre sí de una manera ventajosa.
Los ejemplos de realización de la invención se explican en las figuras.
En este caso:
Las figuras 1 a 6 muestran ejemplos de sistemas de capas en la sección transversal.
Las figuras 7 a 17 muestran una representación ampliada de una capa porosa.
Las figuras 18 a 24 muestran etapas del procedimiento para la fabricación de un sistema de capas de acuerdo con la invención.
La figura 25 muestra una turbina de gas, y
La figura 26 muestra una cámara de combustión.
La figura 1 muestra un primer ejemplo de realización de un sistema de capas 1 de acuerdo con la invención.
El sistema de capas 1 está constituido por un substrato 4. El substrato 4 puede ser metálico y/o cerámico. Especialmente en el caso de aplicación para componentes de turbinas de una máquina de circulación como turbina de gas 100 (figura 25, pero también es posible como turbina de avión) o turbina de vapor, como por ejemplo palas de turbinas 120, 130 (figura 25) o revestimientos de cámaras de combustión 155 (figura 26), el substrato 4 es una superaleación a base de hierro, níquel o cobalto.
El sistema de capas 1 con un substrato 4 está en una superficie 9 directa o indirectamente adyacente a una zona 110, 111 (figura 25), que presenta un medio caliente. Esta zona 110, 111 es, por ejemplo, una cámara de combustión 110 o un canal de gas caliente 111 de una turbina de gas 100 (figura 25). Sobre la superficie 9 pueden estar presentes de una manera conocida capas de protección (MCrAlX) contra la oxidación y la corrosión y/o capas de aislamiento térmico (ZeO_{2}).
Una dirección radial 11 se extiende perpendicularmente o casi perpendicularmente a la superficie 9 del substrato 4.
A pesar de estas medidas de protección contra la entrada excesiva de calor, se refrigera todavía adicionalmente el substrato 4 en una superficie 14, que está colocada opuesta a la superficie 9. El sistema de capas 1 es, por lo tanto, en este caso, por ejemplo, un componente hueco (por ejemplo palas de turbinas huecas) con una superficie interior 14. El substrato 4 es refrigerado conduciendo un medio de refrigeración KM a través del componente hueco, que disipa el calor desde el substrato 4 en la superficie 14. De acuerdo con la invención, esto se lleva a cabo a través de una capa porosa 10, que está presente sobre la superficie 14 del substrato 4, para poder disipar mejor este calor en el medio de refrigeración.
Entre la capa porosa 10 y el substrato 4 puede estar presente una capa adhesiva, por ejemplo metálica. Las formas de realización anteriores para el sistema de capas con el substrato 4 y la capa 10 se aplican de una manera similar también para el sistema de capas con el substrato 4/capa intermedia y capa 10.
El medio de refrigeración KM puede circular por delante de la superficie libre de la capa porosa 10 o puede circular al menos parcialmente a través de la capa porosa (figuras 2, 3, 4).
Las figuras 2, 3, 4 muestran cómo puede circular un medio de refrigeración KM a través de esta capa porosa 10.
En la figura 2, el medio de circulación circula en una dirección axial 17 (circulación de un gas caliente en 110, 111, perpendicularmente a la dirección radial 11) a través de toda la capa porosa 10. En el caso de la cámara de combustión 110, el medio de refrigeración KM es alimentado por un extremo y circula desde un extremo axial 161 hacia el otro extremo 164 (figura 26). En este caso, la capa porosa está constituida, por ejemplo, por tubitos, que se extienden en dirección axial 17. Son concebibles otras disposiciones. Lo mismo se aplica de una manera correspondiente para el canal de gas caliente 111.
De la misma manera, la capa porosa 10 puede estar dividida en dirección axial 17 en diferentes segmentos 15 (figura 3), siendo alimentado el medio de refrigeración KM en cada caso por separado a un segmento 15 de este tipo y circulando a través de éste. En el caso de la cámara de combustión 110 (figura 26), al segmento 15 corresponde, por ejemplo, el elemento de placa de calor 155 (figura 26).
A través de los segmentos 15 se impide que el medio de refrigeración KM circule horizontalmente (en dirección axial 17) a través de la capa porosa 10 en virtud de la diferencia de presión en el canal de gas caliente 111 o en la cámara de combustión 110 y se caliente en una medida excesiva. Las paredes de la cámara se pueden formar a través del relleno de los poros 25 (figura 7) en dirección radial 11, pero también a través de una disposición correspondiente de los canales 26 (figura 7) se consigue una circulación perpendicular a través de la capa porosa 10. Esto se muestra en el documento WO 03/006883, que es parte de esta publicación en lo que se refiere a la disposición de segmentos o cámaras y la circulación a través de los mismos.
Tanto en la disposición de acuerdo con las figuras 2 y 3 se pueden prever en el substrato 4 unos canales de refrigeración, que posibilitan que un medio de refrigeración KM pueda circular desde la capa porosa 10 a través del substrato 4 (figura 4). En este caso, se puede generar sobre la superficie 9 del substrato 4 o sobre una capa sobre el substrato 4 una refrigeración de película, saliendo el medio de refrigeración KM desde la superficie 9.
La figura 5 muestra otro ejemplo de realización de un sistema de capas 1 de acuerdo con la invención.
El sistema de capas 1 está constituido por un substrato 4. El substrato 4 puede ser metálico y/o cerámico. Especialmente en la aplicación para componentes de turbinas de una turbina de gas 100 (figura 25) o de una turbina de vapor, como por ejemplo las palas de turbinas 120, 130 (figura 25) o los revestimientos de las cámaras de combustión 155 (figura 26), el substrato 4 es una superaleación de hierro, de níquel o de cobalto.
Sobre el substrato 4 está presente, por ejemplo, al menos una capa intermedia 7. La capa intermedia 7 puede ser metálica y/o cerámica. Sobre la superficie 8 de la capa intermedia 7 está aplicada la capa porosa exterior 10. También esta capa porosa 10 puede ser metálica y/o cerámica. A través del substrato 4 y de la capa intermedia 7 conduce, por ejemplo, un canal de refrigeración 13, a través del cual se puede añadir un medio de refrigeración (aire y/o vapor u otro). El medio de refrigeración, que afluye a través del canal de refrigeración 13 en la capa porosa 10, puede fluir dentro de la capa 10 y también puede salir fuera de la superficie 16 de la capa exterior 10. Cuando el medio de refrigeración sale desde la superficie 16, tiene lugar una refrigeración de efusión. Con respecto a la alimentación y la circulación del medio de refrigeración KM se aplican de una manera similar las explicaciones relacionadas con las figuras 2, 3 y 4.
La capa intermedia 7 es, por ejemplo, una capa de protección contra la oxidación o la corrosión, que presenta, por ejemplo, la composición MCrAlX, en la que M representa al menos un elemento del grupo de hierro, cobalto o níquel, X representa al menos un elemento del grupo de itrio y/o de las tierras raras o bien un elemento activo. De la misma manera, la capa intermedia 7 puede ser una capa de platino o una capa de MCrAlX enriquecida con platino.
La figura 6 muestra otro ejemplo de realización de un sistema de capas 1 configurado de acuerdo con la invención. En comparación con la figura 1, no está presente ninguna capa intermedia 7, sino que la capa porosa exterior 10 se encuentra directamente sobre la superficie 9 del substrato 4.
El material para la capa 10 es, por ejemplo, de carburo de silicio (SiC), de óxido de silicio (SiO_{2}), de nitruro de silicio (Si_{3}N_{4}) o de materiales de fibras (CMC) o bien de mezclas de los mismos.
La capa 10 puede estar realizada en una sola pieza con el substrato 4 o la capa intermedia 7, de manera que no existen problemas de adhesión entre la capa 10 y el substrato 4.
La capa porosa 10 puede haber sido fabricada, por ejemplo, junto con el substrato 4 en una fundición o a través de otros procedimientos metalúrgicos de fundición (crecimiento epitáctico). Esto proporciona una unión ideal entre el substrato 4 y la capa porosa 10 con respecto a la transmisión de calor y la resistencia mecánica entre el substrato 4 y el substrato 10 o la capa intermedia 7.
La figura 7 muestra una representación ampliada de la capa exterior 10, que se extiende en una dirección radial 11 (perpendicularmente al substrato 4). Aquí la capa porosa 10 está adyacente a la zona 110, 111, es decir, que se apoya sobre la superficie 9 del substrato 4. No obstante, las explicaciones siguientes con relación a la configuración de la capa porosa 10 y la unión al substrato 4 se refieren también a la disposición de la capa porosa 10 sobre el substrato 4 de acuerdo con las figuras 1, 2, 3 y 4.
La capa porosa exterior 10 está constituida por muchos poros 25. El tamaño de los poros varía entre aproximadamente 0,5 y varios milímetros (\geq 2 mm). Un poro 25 se cierra en cada caso por paredes de poros 22. Las paredes de los poros 22 de los poros 25 individuales adyacentes se encuentran en una superficie de intersección de la pared 19. A través de la capa porosa 10 puede circular un medio de refrigeración KM, siendo conducido desde el interior del sistema de capas (palas de turbinas huecas, lado interior de la cámara de combustión) 1, pero no necesariamente, puesto que la capa porosa 10 actúa como capa de aislamiento térmico y contribuye de esta manera a la descarga térmica del substrato. Entre los poros 25 pueden estar presentes canales 26 en las paredes de los poros 22, a través de las cuales puede circular un medio de refrigeración KM. Una línea de flecha en serpentina muestra cómo puede circular un medio de refrigeración desde el substrato 4 a través de la capa porosa 10. Así, por ejemplo, el medio de refrigeración KM puede circular a través de la capa porosa 10 en dirección radial 11. Si el medio de refrigeración KM debe circular a través de la capa porosa 10 en dirección axial 17, entonces no son necesarios los canales 26.
Los poros 25 presentan un diámetro de poros o anchura de los poros 28. Los poros 25 presentan en este ejemplo de realización en la sección transversal perpendicularmente a la dirección radial 11 una sección transversal casi cuadrada o rectangular.
La capa porosa 10 está dispuesta, por ejemplo, sobre el substrato 4 o sobre una capa intermedia 7, de tal forma que varias superficies de intersección de la pared 19 representan una superficie de contacto 37 con el substrato 4. De esta manera, el substrato 4 o la capa intermedia 7 están adyacentes a las superficies de intersección de la pared 19 y a los poros 25.
Los cantos de las paredes de los poros 22, de los canales 26 o de las superficies de intersección de la pared 19 están al menos redondeados, de manera que las partículas de suciedad, que llegan con el medio de refrigeración a la capa porosa 10, no se pueden enganchar en los cantos.
El tamaño de los poros 28 está diseñado, por ejemplo, tan grande que las partículas extrañas, que circulan con el medio de refrigeración a través de la capa 10, no obstruyen la capa porosa 10, es decir, que el tamaño de los poros 28 es mayor que el tamaño de las partículas extrañas. Especialmente la capa porosa 10 presenta una estructura de panal de abejas (de miel).
Una transición 20 entre una pared de poros 22 o superficie de intersección de la pared 19 y el substrato 4 o la capa intermedia 7 está ensanchada y tiene una superficie lo más grande posible y está realizada con radios de redondeo grandes, con el fin de reducir las tensiones térmicas 37 de la capa 10 y del substrato 4 o de la capa intermedia 7, de manera que se consigue una unión mecánica y una transmisión de calor buenas de la capa porosa 10 en el substrato 4 o la capa intermedia 7. Especialmente se proporciona la superficie de contacto 37 de la capa 10 con el substrato 4 o con la capa intermedia 7 a través de la superficie de intersección de la pared 19 (figura 12, estado de la técnica). El tamaño de la superficie de intersección de la pared 19 está ensanchado en una medida correspondiente de acuerdo con la invención en la transición 20 frente a la sección transversal de la superficie de intersección de la pared de estos poros 25 por encima de la transición 20 (figura 13). Cuando las paredes de los poros 22 forman la superficie de contacto con el substrato 4 o la capa intermedia 7 (figura 14, estado de la técnica), la sección transversal de la transición 20 se ensancha de acuerdo con la invención con respecto al espesor de la pared de los poros 22 por encima de la superficie de contacto (figura 15).
El ensanchamiento de la transición 20 está diseñado en este caso de tal forma que resulta una transición inconstante (figura 16) (con un ángulo \alpha definido) (o constante) (figura 17) (diferentes ángulos \alpha1, \alpha2) desde la pared de los poros 22 hacia la superficie 9, 14.
La superficie 9 del substrato 4, que se cubre por la capa porosa 10, está de esta manera en contacto en su mayor parte (> 10%, especialmente > 20% o > 30%) con las superficies de intersección de la pared 19 o las paredes de los poros 22.
La figura 9 muestra otra forma de la sección transversal de los poros 25. La sección transversal de los poros 25 está configurada, por ejemplo, de forma triangular. También son concebibles otras formas de la sección transversal.
La figura 8 muestra otro ejemplo de realización de un sistema de capas 1 de acuerdo con la invención. A lo largo de la dirección radial 11, las paredes de los poros 22 están realizadas más gruesas en la proximidad del substrato 4 o de la capa intermedia 7 (espesor, diámetro d) que en la proximidad de la superficie exterior 16 de la capa porosa 10. De esta manera se modifica también la anchura de los poros 28 en la dirección radial 11, en efecto, la anchura de los poros 28 en menor en la zona próxima del substrato 4 que en la zona próxima de la superficie exterior 16 del substrato 4. A través de las paredes más gruesas de los poros 22 en la proximidad del substrato 4 o de la capa intermedia 7 se crea una superficie de contacto mayor 37 entre la capa porosa 10 y el substrato 4 (> 10% de la superficie, que está cubierta por la capa porosa 10). Esto eleva la unión mecánica y la transmisión térmica de la capa porosa 10 al substrato 4 o a la capa intermedia 7. La transición 20 entre la pared de los poros 22 y el substrato 4 o la capa intermedia 7 se ensancha, por ejemplo, de la misma manera (figuras 13, 15, 16, 17).
La capa porosa 10 se puede fabricar por separado de una manera conocida y, se puede unir, por ejemplo, a través de estañado con el substrato 4.
La capa porosa 10, en cambio, se puede formar también directamente sobre el substrato 4.
Las explicaciones siguientes se aplican para la disposición de la capa 10 sobre el substrato 4 de acuerdo con las figuras 1 a 4. Vista en general, la transición 20 de las paredes de los poros 22 o de las superficies de intersección de la pared 19 de la capa 10 sobre el sustrato 4 de soporte macizo representa un punto mecánico débil. Especialmente en el caso de oscilaciones repentinas de la temperatura, como no se pueden evitar en el funcionamiento de turbinas de gas o de vapor, una estructura poros uniforme fina absorbe la nueva temperatura de una manera mucho más rápida que el substrato macizo 4. Con ello van unidas diferentes dilataciones térmicas de estas zonas, lo que puede conducir en la zona de transición de la capa 10 y el substrato 4 a tensiones extremadamente altas. A través de la configuración de superficie grande y más maciza de las paredes de los poros 22 en las transiciones 20 no se producen ya tales efectos o solamente en una medida muy reducida.
Una sección transversal constante de las paredes de los poros 22 a lo largo de la dirección radial 11 reduciría también el rendimiento de refrigeración de la conducción de calor. Todo el calor introducido debe circular desde el canal de gas caliente 110 a través del substrato 4 hasta la estructura porosa 10, donde se descarga de una manera regular en el aire de refrigeración. De esta manera, a través de las paredes de los poros 22 en la superficie 14 del substrato 4 fluye principalmente calor y es menor en la superficie libre 16. Si la sección transversal de la pared de los poros 22 permanece constante, se modifica el gradiente de temperatura correspondiente en la capa porosa 10 de una manera similar al calor que fluye, es decir, que es grande en la proximidad de la superficie 9 y es menor hacia la superficie libre 16. Puesto que la transmisión de calor en el aire de refrigeración depende, sin embargo, directamente de la diferente de temperatura con respecto a la estructura porosa 10, solamente se puede transmitir de esta manera una medida estrechamente limitada de calor al aire de refrigeración.
A través de las paredes más gruesas de los poros 22 en la proximidad del substrato 4 se incrementa el área de la sección transversal para la conducción de calor, de manera que se aplana el gradiente de temperatura en dirección radial 11. De esta manera, es posible mantener el gradiente de temperatura, que es necesario para una refrigeración efectiva, entre las paredes de los poros 22 y un medio de refrigeración conducido a través de los poros 25 en amplias zonas en la capa porosa 10 en un nivel lo más alto posible.
La figura 10 muestra a partir de la figura 8 (pero de una manera similar a las figuras 7 y 9) otro ejemplo de realización de un sistema de capas 1 de acuerdo con la invención. Sobre la capa porosa 10 está aplicada una capa de protección 12. Especialmente cuando la capa porosa 10 es una capa metálica, por ejemplo una capa de MCrAlX, existe la necesidad de proteger la capa 10 todavía adicionalmente frente a la entrada adicional de calor. En este caso, la capa de protección 12 es una capa cerámica de aislamiento térmico. La capa cerámica de aislamiento térmico se puede aplicar por medio de procedimientos de recubrimiento conocidos sobre la capa porosa 10. De la misma manera, la capa de protección 12 puede presentar taladros (no se representan), a partir de los cuales puede salir un medio de refrigeración (refrigeración por película). La capa de protección 12 puede representar también una capa de desgaste.
La figura 11 muestra otro ejemplo de realización de un sistema de capas de acuerdo con la invención a partir de la figura 8 (pero de una manera similar a las figuras 7 y 9). Sobre las paredes de los poros 22 está aplicada una capa de protección 12. La capa de protección 12 no representa una capa aplicada solamente sobre el exterior de la capa 10, sino que cubre las superficies exteriores y las superficies interiores de los poros 25. La capa de protección 12 puede estar aplicada en una parte exterior de la capa porosa 10 o se puede extender también hasta el substrato 4. De la misma manera, dado el caso, están presentes uniones permeables al gas que se extienden a través de la capa de protección 12, de manera que puede salir un medio de refrigeración también, además, desde la capa porosa 10 a un canal de gas caliente.
La capa porosa 10 de los ejemplos de realización anteriores se puede fabricar de la siguiente manera. Por ejemplo, por medio de la estereolitografía láser se fabrica en una primera capa 10' por ejemplo de partículas de plástico una primera forma negativa de la capa porosa 10. Puesto que la estructura de la capa porosa 10 está presente, por ejemplo, en un modelo CAD, la capa 10 se puede descomponer virtualmente en un número correspondiente de capas. Una primera capa de este tipo se fabrica entonces por medio de estereolitografía láser, que conecta las partículas de plástico entre sí a través de endurecimiento exactamente allí donde están presentes poros 25 y canales 26 entre los poros 25.
Entonces se pueden fabricar las otras capas por separado y se pueden unir entre sí o se pueden aplicar sobre la primera capa tratada con el láser de la misma manera de nuevo partículas de plástico, que da como resultado una segunda capa sobre la primera capa. La segunda capa es tratada entonces de la misma manera de forma selectiva con el láser, de manera que allí donde incide el láser, se unen las partículas de plástico entre sí. De este modo, se forma capa por capa todo el modelo de la forma negativa de la estructura porosa 10 por medio del modelo CAD de plástico. Del mismo modo son concebibles otros materiales además del plástico.
El negativo generado de esta manera se puede fundir o rellenar con el material de la capa porosa 10 y se puede compactar. El plástico se retira entonces por ejemplo a través de combustión o lixiviación.
De la misma manera es posible formar por medio de estereolitografía láser un modelo de la capa porosa 10 (figuras 7 y 8), de tal forma que a través de la conformación del modelo se obtiene un molde de fundición 46 (figura 23) y luego se obtiene a continuación la capa porosa 10 a través de la fundición del molde de fundición 46. El molde de fundición 46 está constituido por cuerpos de volumen 43, por los poros 25 rellenos y, dado el caso, por nervaduras 40, que corresponden a los canales 26 rellenos.
También son concebibles otros procedimientos para la fabricación de la capa porosa 10.
En particular, la capa porosa 10 se puede fabricar capa por capa (figuras 18 a 22 y 24).
En una primera etapa del procedimiento (figura 18) se aplican las superficies de intersección de las paredes 19 sobre el substrato 4, que forman la superficie de contacto 37 con el substrato 4. De esta manera se forma una primera parte 10' de la capa 10.
Una vista en planta superior sobre el componente 1 de acuerdo con la figura 18 (figura 19) muestra que el substrato 4 solamente está recubierto en parte con el material de la capa 10. En los puntos 23, en los que deben estar formados poros 25, el substrato 4 no está cubierto.
En otra etapa del procedimiento se aplica otro material sobre el sistema de capas 1 de acuerdo con la figura 18 (figura 20). Los puntos 23se pueden rellenar, por ejemplo con un material distinto al material de las capas 10', 10'', para impedir el relleno. Este otro material para los puntos 23 se puede lixiviar y se puede quemar, en cambio el material de las paredes de los poros 22 no se puede retirar de esta manera. Los puntos 23 no cubiertos de acuerdo con la etapa de tratamiento según la figura 18 están ahora cerrados, de manera que se han formado los primeros poros 25, que están adyacentes al substrato 4. La zona de la capa 10' ha sido completada con otra zona de la capa
10''.
Una vista (figura 21) sobre un sistema de capas 1 de acuerdo con la figura 10 muestra taladros en una superficie de este tipo, los cuales dan como resultado los poros 25 después de otra aplicación de capa. Con trazos se indican los poros 25, que han sido cerrados en el tiempo intermedio. Este procedimiento se prosigue paso a paso (figura 22) hasta que se obtiene una capa porosa 10, por ejemplo de acuerdo con la figura 4.
La figura 24 muestra de forma esquemática cómo se puede fabricar una capa porosa 10, a saber, a través de impresión de la estructura porosa. En este caso, de una manera similar a la estereolitografía, se constituye la estructura a partir de capas individuales, sólo que aquí ningún láser funde las partículas de plástico entre sí, sino que se imprime una pasta de impresión muy sutil, que contiene material de la capa 10, como por ejemplo color, capa por capa sobre la capa siguiente 49. Este procedimiento posibilita que el material de la capa porosa se pueda utilizar directamente para la impresión. En este caso, el material está mezclado, por ejemplo, como polvo fino con un aglutinante.
Una vez que la capa porosa 10 está impresa acabada, entonces se evapora el aglutinante en un horno y luego se sinteriza el material de la capa porosa 10 entre sí. Aquí se suprime la utilización de un núcleo de plástico o la fabricación de un molde de fundición.
La figura 25 muestra una turbina de gas 100 en una sección parcial longitudinal.
La turbina de gas 100 presenta en el interior un rotor 103 alojado de forma giratoria alrededor de un eje de rotación 102, que se designa también como rotor de turbina. A lo largo del rotor 103 siguen de una manera consecutiva una carcasa de aspiración 104, un compresor 105, una cámara de combustión 110 por ejemplo de forma toroidal, especialmente cámara de combustión anular 106, con varios quemadores 107 dispuestos coaxialmente, una turbina 108 y la carcasa de escape de gases 109. La cámara de combustión anular 106 se comunica con un canal de gas caliente 111, por ejemplo de forma anular. Por ejemplo, cuatro fases de turbinas 112 conectadas unas detrás e las otras forman allí la turbina 108. Cada fase de turbina 112 está formada por dos anillos de paletas. Visto en la dirección de la circulación de un medio de trabajo 113, sigue en el canal de gas caliente 111 de una serie de paletas de guía 115 una serie 125 formada por paletas de rodadura 120.
Las paletas de guía 130 están fijadas en este caso en el estator 143, en cambio las paletas de rodadura 120 de una serie 125 están colocadas en el rotor 103 por medio de un disco de turbina 133. En el rotor 103 está acoplado un generador o una máquina de trabajo (no se representa).
Durante el funcionamiento de la turbina de gas 100 se aspira aire 135 desde el compresor 105 a través de la carcasa de aspiración 104 y se comprime. El aire comprimido preparado en el extremo del lado de las turbinas del compresor 105 es conducido a los quemadores 107 y es mezclado allí con un combustible. La mezcla es quemada entonces bajo la formación del medio de trabajo 113 en la cámara de combustión 110. Desde allí circula el medio de trabajo 113 a lo largo del canal de gas caliente 11 por delante de las paletas de guía 130 y de las paletas de rodadura 120. En las paletas de rodadura 120 se expande el medio de trabajo 113 con efecto de transmisión de impulsos, de manera que las paletas de rodadura 120 accionan el rotor 103 y éste acciona la máquina de trabajo que está acoplada con el mismo.
Los componentes, que están expuestos al medio de trabajo caliente 113, están sometidos a cargas térmicas durante el funcionamiento de la turbina de gas 100. Las paletas de guía 130 y las paletas de rodadura 120 de la primera fase de la turbina 112, vista en la dirección de la circulación del medio de trabajo 113 se cargan en su mayor parte térmicamente, además de las pantallas térmicas que revisten la cámara de combustión anular 106. Para resistir las temperaturas que predominan allí, éstas son refrigeradas por medio de un refrigerante. De la misma manera, las paletas 120, 130 pueden presentar recubrimientos contra la corrosión (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, X = Y, tierras raras) y el calor (capa de aislamiento térmico, por ejemplo ZrO_{2}, Y_{2}O_{4} - ZrO_{2}). En el interior de las paletas de las turbinas 120, 130 se puede aplicar una capa porosa 10, por ejemplo de acuerdo con las figuras 1 a 4. De la misma manera, la capa porosa 10 puede delimitar las paletas 120, 130 en el canal de gas caliente 111.
Las paletas de guía 130 presentan una pata de paleta de guía (no se representa aquí), que está dirigida hacia la carcasa interior 138 de la turbina 108 y una cabeza de paleta de guía, que está colocada opuesta a la pata e la paleta de guía. La cabeza de la paleta de guía está dirigida hacia el rotor 103 y está fijada en un anillo de fijación 140 del estator 143.
La cámara de combustión 110 en la figura 26 está configurada, por ejemplo, por decirlo así como cámara de combustión anular, en la que una pluralidad de quemadores 102, dispuestos en la dirección circunferencial alrededor del árbol de las turbinas 103, desembocan en una cámara de combustión común. A tal fin, la cámara de combustión 110 está configurada en su totalidad como estructura de forma anular, que está colocada alrededor del árbol de las turbinas 103.
Para la consecución de un rendimiento comparativamente alto, la cámara de combustión 110 está diseñada pata una temperatura comparativamente alta del medio de trabajo M entre aproximadamente 1000ºC y 1600ºC. Para posibilitar también con estos parámetros de funcionamiento desfavorables para los materiales una duración de funcionamiento comparativamente larga, la pared de la cámara de combustión 153 está provista sobre su lado dirigido hacia el medio de trabajo M con un revestimiento interior formado a partir de elementos de pantallas térmicas 155. Cada elemento de pantalla térmica 155 está equipado en el lado del medio de trabajo con una capa de protección especialmente resistente al calor o está fabricado de material resistente a alta temperatura. En virtud de las altas temperaturas en el interior de la cámara de combustión 110 está previsto, además, un sistema de refrigeración para los elementos de pantallas térmicas 155 o bien para sus elementos de retención. En el interior de los elementos de retención está aplicada entonces una capa porosa 10, por ejemplo de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4. De la misma manera, la capa porosa 10 puede estar dispuesta también en el exterior hacia la cámara de combustión 111.
La cámara de combustión 110 está diseñada especialmente para una detección de pérdidas de los elementos de pantallas térmicas 155. A tal fin, entre la pared de la cámara de combustión 153 y los elementos de pantallas térmicas 155 están colocados una pluralidad de sensores de temperatura 158.

Claims (34)

1. Sistema de capas (1), que está constituido por al menos un substrato (4) y una capa (10) al menos parcialmente porosa sobre el substrato (4), en el que un poro (25) de la capa porosa (10) está delimitado en cada caso por paredes de poros (22), cuyas paredes de poros (22) están adyacentes, en parte, a una superficie (9, 14) del substrato (4), caracterizado porque las paredes de poros (22), que están adyacentes a la superficie (9, 14), presentan en la zona de la superficie (9, 14) del substrato (4) un área de la sección transversal incrementada en comparación con las paredes de poros (22), que no están adyacentes a la zona de la superficie (9, 14), de manera que se consigue una unión mecánica mejorada de las paredes de poros (22) en el substrato (4).
2. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de capas (1) con su substrato (4) está adyacente con su superficie (9) a una zona (110, 111), que presenta un medio caliente, y porque la capa porosa (10) está configurada sobre la superficie (14) del substrato (4) que está opuesta a la superficie (9).
3. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el sistema de capas (1) con la superficie (9) de su substrato (4) se puede exponer a un medio caliente, porque está presente en una zona (110, 111) y porque la capa porosa (10) está configurada sobre la superficie (9) del substrato (4).
4. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque las zonas de contacto entre la capa (10) y el substrato (4) en la superficie (9, 14) están formadas en cada caso por una superficie de intersección de la pared (19), y porque el tamaño de la superficie de intersección de la pared (19) en la superficie (9, 14) está incrementado frente a las superficies de intersección de la pared (19), que no están adyacentes a la zona de la superficie (9, 14), de manera que se obtiene una unión mecánica mejorada de la superficie de intersección de la pared (19) en el substrato (4).
5. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 4, caracterizado porque una superficie de contacto de las paredes de los poros (22) y/o de las superficies de intersección de la pared (10) con el substrato (4) representa al menos el 10% de la superficie (9, 14) del substrato (4), que es recubierta por la capa porosa (10).
6. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 5, caracterizado porque el espesor de las paredes de los poros (22), especialmente en una dirección radial (11), que se extiende perpendicularmente a la superficie del substrato (4), es diferente.
7. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el espesor de las paredes de los poros (22) presenta un gradiente a lo largo de la dirección radial (11).
8. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el espesor de las paredes de los poros (22) es mayor en la proximidad del substrato (4).
9. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el espesor de las paredes de los poros (22) está configurado mayor a partir del substrato (4) hacia la superficie exterior (16) de la capa porosa (10).
10. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, 6, 7, 8 ó 9, caracterizado porque una dirección radial (11) se extiende a partir del substrato (4) hacia la superficie exterior (16) del sistema de capas (1) y porque los tamaños (28) de los poros (25) presentan un gradiente a lo largo de la dirección radial (11).
11. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el tamaño de los poros (28) en la proximidad del substrato (4) es menor que en la proximidad de la superficie exterior (16) de la capa porosa (10).
12. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque los cantos de las paredes de los poros (22) y de los canales (26) en las paredes de los poros (22) están al menos parcialmente redondeados.
13. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa porosa (10) presenta una estructura de panal de abejas.
14. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa porosa (10) presenta una estructura que está recorrida al menos parcialmente por una corriente de medio de refrigeración.
15. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa porosa (10) presenta al menos en la zona de la superficie exterior (16) de la capa (10) al menos una capa de protección (12).
16. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 15, caracterizado porque dentro de la capa porosa (10) está aplicada al menos en la zona de la superficie exterior (16) al menos una capa de protección (12).
17. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 15, caracterizado porque al menos una capa de protección (12) está aplicada sobre la superficie (16) de la capa porosa (10).
18. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 15, 16 ó 17, caracterizado porque al menos una capa de protección (12) es metálica o cerámica.
19. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 15, 16, 17 ó 18, caracterizado porque la capa porosa (10) es metálica y porque la capa de protección (12) es cerámica.
20. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de capas (1) es un componente de turbinas de gas o de turbinas de vapor, especialmente una pala de turbinas (120, 130) o un revestimiento de la cámara de combustión (155).
21. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 20, caracterizado porque el substrato (4) es metálico, especialmente una superaleación a base de hierro, de níquel o de cobalto.
22. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1 ó 18, caracterizado porque la capa porosa (10) está configurada de cerámica.
23. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa porosa (10) es metálica, especialmente presenta una composición de MCrAlX, en la que M representa al menos un elemento del grupo de hierro, cobalto o níquel, así como X representa itrio y/o al menos un elemento de las tierras raras.
24. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, 22 ó 23, caracterizado porque la capa porosa (10) está configurada en una sola pieza con el substrato (4).
25. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de capas (1) presenta canales de refrigeración (13, 26) en el substrato (4) y/o en las paredes de los poros (22).
26. Sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los poros (25) de la capa (10) presentan un tamaño (28), que es mayor que el tamaño de las partículas extrañas en un medio, que circula a través de la capa (10).
27. Procedimiento para la fabricación de un sistema de capas (1) con una capa porosa (10), de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa porosa (10) se fabrica por capas en varias etapas parciales.
28. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado porque la superficie exterior de la capa porosa (10) se une con el substrato (4), especialmente a través de estañado.
29. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado porque se utiliza la estereolitografía, especialmente la estereolitografía láser, para fabricar la capa porosa (10).
30. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 27 ó 29, caracterizado porque se aplica por capas (10', 10'', 10''') un plástico o similar como forma negativa sobre el substrato (4), y se endurece por medio de un láser (20), de manera que se obtienen los poros (2%) de la capa porosa (10), que se rellenan entonces con el material de la capa (10), especialmente se rodean con fundición, de manera que se obtiene la capa porosa (10).
31. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 27 ó 29, caracterizado porque se fabrica un modelo de la capa porosa (10), especialmente de plástico, a partir del cual se fabrica a través de moldeado un molde de fundición para la capa porosa (10), y porque la capa porosa (10) se fabrica con este molde de fundición.
32. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado porque se aplica plasta de impresión capa por capa, que contiene material de la capa (10), sobre el substrato (4) de tal manera que se obtienen la capa porosa (10) y los poros (25).
33. Procedimiento para la fabricación de un sistema de capas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa porosa (10) se fabrica junto con el substrato (4).
34. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 33, caracterizado porque el substrato (4) se fabrica junto con la capa porosa (10) de acuerdo con la metalurgia de fundición, especialmente de funde.
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