DE19848104A1

DE19848104A1 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE19848104A1
Application number: DE19848104A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beeck; Mohamed Nazmy
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2000-04-20
Also published as: DE59907926D1; EP0995880A2; EP0995880B1; EP0995880A3; US6241469B1

Abstract

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Schutzüberzug aus einem porösen intermetallischen Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel Kühlluftkanäle ausgebildet sind, welche am intermetallischen Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen. DOLLAR A Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Turbinenschaufeln kann deren Kühlung mit einer geringen Menge an Kühlluft bewerkstelligt werden, und aufgrund der verbesserten Aerodynamik und geringeren Kühlluftzufuhr wird der Wirkungsgrad einer Turbine wesentlich gesteigert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel mit einem metallischen Schaufelkörper und einem Schutzüberzug.

Stand der Technik

Aus der DE 42 41 420 C1 geht eine aus einer Titanlegierung bestehende Verdichter schaufel hervor, die mit einer abrasiven Schaufelpanzerung versehen ist. Die Schaufelpanzerung besteht aus einer Nickelmatrix, in welche Bornitridpartikel einge schlossen sind. Diese Schaufelpanzerung wird vorzugsweise an der Schaufelspitze vorgesehen.

Die DE 32 03 869 A1 beschreibt eine aus einem metallischen Laufschaufelgrundkör per (Kern) und einem keramischen Hohlkörper (Schaufelmantel) bestehende Lauf schaufel. Der Schaufelmantel wird mittels metallischer Haltestifte am Laufschaufel kern befestigt. Durch das Einbringen von Isolierkörpern zwischen den keramischen und den metallischen Kontaktflächen soll der Wärmefluß vom Schaufelmantel zum Laufschaufelkern reduziert werden.

Aus der DE 29 50 150 A1 ist eine Dichtungsanordnung bekannt, die einen Durch gang zwischen einem rotierenden und einem nicht-rotierenden Teil abdichten soll. Die Dichtungsanordnung weist eine an einem der beiden Teile angeordnete Flä chendichtung und einen Kantenteil auf, der der Flächendichtung gegenüberliegend angeordnet und am anderen Teil befestigt ist. Der Kantenteil weist in die Flächen dichtung vorstehende Zähne auf, die bei Rotation in der Flächendichtung Rinnen schneiden, wodurch die Dichtungsanordnung eine Labyrinthdichtung bildet.

Die Flächendichtung dieser bekannten Dichtungsanordnung ist aus Metallfasern zu sammengesetzt, die eine matten- oder filzartige Konstruktion bilden. Dieses Material wird durch Sintern einer Matrix aus willkürlich orientierten Metallfasern bei einer ho hen Temperatur und reduziertem Druck hergestellt, wobei sich eine vollkommen ver filzte Struktur aus Metallfasern bildet, die Metallbindungen an allen Kontaktpunkten der Fasern aufweist. Das gesinterte Material zeichnet sich durch eine scheinbare Dichte aus, die beträchtlich geringer ist als die Dichte der Fasern selbst. Die geringe Dichte des gesinterten Fasermaterials liegt etwa im Bereich von 14 bis 30% und so mit unterscheiden sich diese Materialien von gesinterten pulverisierten Materialien, die eine Dichte von mehr als 30% besitzen. Diese Art von Flächendichtungen haben sich bewährt, da sie sowohl die erforderliche Festigkeit, Starrheit und Kompaktheit aufweisen als auch elastisch, zerkleiner- und abreibbar sind.

Die GB 2 053 367 A zeigt eine gekühlte Gasturbine mit einer den rotierenden Schaufeln gegenüberliegenden Abschirmung. Die Abschirmung ist aus einem im Querschnitt rechteckigem rohrförmigen Ring ausgebildet, der in seinem Inneren Kühlluft aufnehmen kann. An der den Schaufeln gegenüberliegenden Wandung des Ringes sind Löcher eingebracht und diese Wandung ist außenseitig mit einer porö sen Schicht versehen, welche von der Kühlluft durchdrungen werden kann. Die porö se Schicht besteht aus einem aus kleinen Kugeln gesinterten Material. Die Kugeln sind aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung ausgebildet.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel mit einem metalli schen Schaufelkörper und einem Schutzüberzug zu schaffen, die gut kühlbar ist und den Wirkungsgrad der Turbine erhöht.

Die Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, daß der Schutzüberzug aus einem porösen intermetallischen Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel Kühlluftkanäle ausgebildet sind, welche am intermetallischen Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen. Durch Vorsehen des porösen intermetallischen Filzes auf der Oberfläche des Schaufelkörpers kommt eine in diesen eingeleitete Kühlluft nicht sofort mit den Heißgasen der Turbine in Be rührung, sondern tritt allmählich und auf einer größeren Fläche verteilt durch den in termetallischen Filz hindurch. Der intermetallische Filz, der höhere Oberflächentem peraturen als herkömmliche Materialien für Turbinenschaufeln aufweisen kann, wird hierdurch intensivst gekühlt, wodurch die Turbinenschaufel mit einer im Vergleich zu einer Turbinenschaufel, bei welcher die Kühlluftkanäle unmittelbar an der Oberfläche austreten, äußerst kleinen Kühlluftmenge auf Betriebstemperatur gehalten werden kann. Da die Kühlluftmenge wegen der besseren Wärmeübertragung und der höhe ren Arbeitstemperatur wesentlich geringer ist wird der Wirkungsgrad der Turbine ent sprechend erhöht, da die Kühlluft nicht an der Energiezufuhr in der Brennkammer teilnimmt und den Wirkungsgrad der Turbine vermindert.

Das allmähliche Durchströmen der Kühlluft durch den intermetallischen Filz bewirkt, daß die Austrittsgeschwindigkeit der Kühlluft an der Oberfläche der Turbinenschaufel sehr gering ist und die Aerodynamik nicht in der bisher bekannten Weise negativ be einträchtigt. Dies gilt insbesondere, wenn der intermetallische Filz an der Vorder kante der Turbinenschaufel angeordnet ist, da dann, im Gegensatz zu herkömmli chen gekühlten Turbinenschaufeln, das Strömungsverhalten der auf die Turbinen schaufel auftreffenden Gase nicht durch entgegenströmende Kühlluft negativ beein trächtigt wird.

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel erlaubt wegen der geringeren Kühlluftmen ge und der verbesserten Aerodynamik eine beträchtliche Steigerung des Wirkungs grades einer mit diesen Turbinenschaufeln ausgerüsteten Turbine.

Der intermetallische Filz ist zudem unempfindlich gegenüber mechanischen Bela stungen, da diese lediglich zu kleinen, lokalen Verformungen führen, jedoch weder die Funktion des Kühlsystems wesentlich noch die grundsätzliche Funktion der Lauf schaufel beeinträchtigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnun gen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel im Querschnitt,

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigt Turbinenschaufel im Vorderkantenbereich in einer vergrößerten Querschnittsdarstellung,

Fig. 3 den Vorderkantenbereich der in Fig. 1 gezeigten Turbinenschaufel ohne einen intermetallischen Filz in perspektivischer Ansicht.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, gewerbliche Anwendbarkeit

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel 1 im Schnitt. Die Turbinen schaufel 1 weist eine an sich bekannte aerodynamische Form auf und ist aus zwei Seitenwandungen 2, 3 ausgebildet. Im Vorderkantenbereich 4 weist die Turbinen schaufel 1 eine etwa halbkreisförmige Außenfläche auf, die bündig in die Außenflä chen der Seitenwandungen 2, 3 übergeht. Die Seitenwandungen 2, 3 laufen vom Vorderkantenbereich 4 in Richtung zu einer Hinterkante 5 zusammen, wobei sie im Bereich der Hinterkante 5 miteinander fest verbunden sind. Benachbart zu dem im Schnitt etwa halbkreisförmigen Vorderkantenbereich 4 ist zwischen den Seitenwan dungen 2, 3 ein Quersteg 6 angeordnet, der den Zwischenraum zwischen den bei den Seitenwandungen 2, 3 in zwei Kühlluftkanäle 7, 8 unterteilt, durch welche der Turbinenschaufel 1 Kühlluft zugeführt wird.

Der Vorderkantenbereich 4 der Turbinenschaufel ist zweilagig ausgebildet, wobei eine innere Lage durch ein im Schnitt etwa ringsegmentförmiges Vorderkantenteil 9 und eine äußere Lage durch einen aus einem intermetallischen Filz ausgebildeten Schutzüberzug 10 gebildet werden.

Das etwa kreissegmentförmige Vorderkantenteil 9 ist mit den Seitenwandungen 2, 3 jeweils überein Übergangsteil 11, 12 verbunden. Die Übergangsteile 11, 12 bilden einen sich in Richtung zu dem Vorderkantenteil kontinuierlich verjüngenden Ein schnürungsbereich.

Die beiden Seitenwandungen 2, 3, der Quersteg 6, die Übergangsteile 11, 12 und das Vorderkantenteil 9 sind einstückig aus Metall ausgebildet und bilden einen Schaufelgrundkörper.

Das Vorderkantenteil 9 ist mit etwa radial verlaufenden Kühlbohrungen 13 versehen. An den Seitenwandungen 2, 3 können weitere Kühlbohrungen 14 eingebracht sein, die die Seitenwandungen 2, 3 von innen nach außen schräg verlaufend in Richtung zur Hinterkante 5 durchsetzen.

Der Einschnürungsbereich im Vorderkantenbereich 4 bildet eine Ausnehmung zur Aufnahme des aus dem intermetallischen Filz bestehenden Schutzüberzugs 10.

Der intermetallische Filz besteht aus einem filzähnlichen Material, wie es beispiels weise aus "VDI Bericht 1151, 1995, Metallische Hochtemperaturfasern durch Schmelzextraktion - Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen, Stephani et al., Seite 175ff" beschrieben ist. Dort werden Fasern im Schmelzextraktionsverfahren hergestellt, die so hergestellten Fasern verpreßt und gesintert. Das so gebildete filzähnliche Material wird als Filter und als Katalysator-Träger verwendet. Erfin dungsgemäß wird dieses filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern herge stellt und als Schutzüberzug für eine Turbinenschaufel verwendet. Dazu werden vorteilhafterweise intermetallische Phasen auf Eisen- oder Nickelbasis verwendet. Diese weisen eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften auf. Zudem sind die vorgenannten Eigenschaf ten durch die Wahl der intermetallischen Phase in einem weiten Bereich einstellbar.

Der Schutzüberzug 10 aus intermetallischen Filz ist in der Ausnehmung der Turbi nenschaufel 1 durch Hochtemperaturlöten befestigt, wobei das Lot einen höheren Schmelzpunkt als die Anwendungstemperatur in der Turbine besitzt.

Die Porösität des Schutzüberzugs 10 kann durch die Parameter des Herstellungs verfahrens wie Pressdruck und Sintertemperatur eingestellt werden. Hierdurch ist der Strömungswiderstand des Schutzüberzuges 10 auf die jeweiligen Anforderungen einstellbar.

Die Dicke des Schutzüberzuges liegt z. B. im Bereich von 2-8 mm.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel er läutert.

Kühlluft wird während des Betriebs der Turbine durch den Kühlkanal 7 dem Vorder kantenteil 9 zugeführt, wobei die Kühlluft durch die im Vorderkantenteil ausgebildeten Bohrungen 13 nach außen in den Schutzüberzug 10 aus intermetallischen Filz strömt. Im intermetallischen Filz verteilt sich die einströmende Luft auf einen Flä chenbereich und durch strömt den Filz. Aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem intermetallischen Filz und der Kühlluft bestehen hervorragende Wärmeübertra gungseigenschaften, so daß die überwiegende Wärmekapazität der Kühlluft zum Kühlen des Schutzüberzugs 10 ausgenutzt wird. Zudem wirkt der aus einem inter metallischen Filz bestehende Schutzüberzug 10 als thermischer Isolator gegenüber dem Schaufelgrundkörper.

Im Vergleich zu herkömmlichen mit Luft gekühlten Turbinenschaufeln ist eine we sentlich geringere Kühlluftmenge notwendig. Da sich die relativ geringe Kühlluftmen ge beim Durchströmen des Schutzüberzuges 10 auf einen größeren Flächenbereich verteilt ist der Impuls, mit welchem die Kühlluft aus dem Schutzüberzug ausströmt, minimal, so daß die Aerodynamik der Turbinenschaufel kaum beeinträchtigt wird.

Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert worden; der Er findungsgedanke ist jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Im Rah men der Erfindung ist es z. B. auch möglich, die Hinterkante 5 der Turbinenschaufel mit einem aus intermetallischen Filz ausgebildeten Schutzüberzug zu versehen oder an der gesamten Oberfläche der Turbinenschaufel einen Schutzüberzug vorzusehen. Der Schutzüberzug kann mit variabler Dicke und/oder variabler Porösität ausgebildet sein. Die Porösität kann z. B. im Verlauf vom Vorderkantenbereich 4 zur Hinterkante 5 abnehmen, wodurch der intermetallische Filz an der stärker der Hitze ausgesetzten Vorderkante mehr Kühlluft als im übrigen Bereich aufnimmt. Es kann auch zweck mäßig sein die Porösität entlang der Spannweite zu variieren.

Der intermetallische Filz kann z. B. auch mit einer Korrosionsschutzschicht oder einer Wärmeschutzschicht beschichtete sein. Als Wärmeschutzschicht kann eine soge nannte TBC-Schicht (Thermal Barrier Coating) verwendet werden, die typischerweise aus einem keramischen Grundstoff ausgebildet ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schutzüberzuges ist, daß er gegenüber Fremdkörperschäden unempfindlich ist, d. h., daß in der Regel lediglich lokale Ver formungen erzeugt werden, die die Funktion der Turbinenschaufel kaum beeinträch tigen.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann sich sogar der Schutzüber zug während des Betriebs lösen und dennoch ist die Schaufel - bei verringertem Wirkungsgrad - noch funktionstüchtig.

Die erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln sind für den Einsatz in einer Gasturbine konzipiert. Insbesondere die Vorderkanten der Schaufeln der ersten Turbinenleitreihe sind mit dem erfindungsgemäßen Schutzüberzug zu versehen, da sie besonders stark den Heißgasen der Turbine ausgesetzt sind.

Bezugszeichenliste

1

Turbinenschaufel

2

Seitenwandung

3

Seitenwandung

4

Vorderkantenbereich

5

Hinterkante

6

Quersteg

7

Kühlluftkanal

8

Kühlluftkanal

9

Vorderkantenteil

10

Schutzüberzug

11

Übergangsteil

12

Übergangsteil

13

Kühlbohrung

14

Kühlbohrung

Claims

1. Turbinenschaufel mit einem metallischen Schaufelkörner und einem Schutz überzug (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzüberzug (10) aus einem porösen inter metallischen Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel (1) Kühlluftkanäle (13) ausgebildet sind, welche am intermetallischen Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorderkante (4) des Schaufelkörpers mit dem intermetallischen Filz versehen ist.

3. Turbineschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hinterkante (5) des Schaufelkörpers mit dem intermetallischen Filz versehen ist.

4. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper in dem mit dem intermetallischen Filz versehenen Bereich mit einer Ausnehmung versehen ist, in welcher der inter metallische Filz angeordnet ist, so daß er bündig mit dem angrenzenden Bereich des Schaufelkörpers abschließt.

5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Schaufelkörper mit dem intermetalli schen Filz überzogen ist.

6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der intermetallische Filz aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern ausgebildet ist.

7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallischen Fasern aus einer intermetalli schen Phase auf Eisenbasis oder Nickelbasis ausgebildet sind.

8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des intermetallischen Filzes beschichtet sind.

9. Turbinenschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des intermetallischen Filzes mit einer Korrosionsschutzschicht und/oder einer Wärmeschutzbeschichtung beschichtet sind.

10. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufel am Rotor einer Turbomaschine angeordnet ist.

11. Turbinenschaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer ersten Leitreihe angeordneten Turbinen schaufeln mit dem aus intermetallischen Filz ausgebildeten Schutzüberzug versehen sind.

12. Turbinenschaufeln nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbomaschine eine Gasturbine ist.