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