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EP0995880A2 - Turbinenschaufel - Google Patents

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Publication number
EP0995880A2
EP0995880A2 EP99810915A EP99810915A EP0995880A2 EP 0995880 A2 EP0995880 A2 EP 0995880A2 EP 99810915 A EP99810915 A EP 99810915A EP 99810915 A EP99810915 A EP 99810915A EP 0995880 A2 EP0995880 A2 EP 0995880A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
felt
intermetallic
turbine
blade according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP99810915A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0995880B1 (de
EP0995880A3 (de
Inventor
Alexander Dr. Beeck
Mohamed Dr. Nazmy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Alstom SA
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Alstom SA, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0995880A2 publication Critical patent/EP0995880A2/de
Publication of EP0995880A3 publication Critical patent/EP0995880A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0995880B1 publication Critical patent/EP0995880B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/182—Transpiration cooling
    • F01D5/183—Blade walls being porous
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/002—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature
    • B22F7/004—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with a metallic Blade body and a protective cover made of a porous intermetallic felt is formed and cooling air channels are formed in the blade body of the turbine blade which open on the intermetallic felt to supply it with cooling air.
  • a sealing arrangement which has a passage to seal between a rotating and a non-rotating part.
  • the sealing arrangement has a surface seal arranged on one of the two parts and an edge part that is opposite the surface seal arranged and attached to the other part.
  • the edge part points into the surface seal protruding teeth on the grooves when rotating in the surface seal cut, whereby the seal assembly forms a labyrinth seal.
  • the surface seal of this known seal arrangement is composed of metal fibers, which form a mat or felt-like construction.
  • This material is achieved by sintering a matrix of randomly oriented metal fibers at a high Temperature and reduced pressure, creating a completely matted Structure made of metal fibers that forms metal bonds at all contact points which has fibers.
  • the sintered material is characterized by an apparent Density, which is considerably less than the density of the fibers themselves. The low The density of the sintered fiber material is approximately in the range from 14 to 30% and thus these materials differ from sintered powdered materials, that have a density of more than 30%.
  • Have this type of surface seals Proven as it has both the required strength, rigidity and compactness have as well as elastic, crushable and rubable.
  • GB 2 053 367 A shows a cooled gas turbine with one rotating Blade opposite shield.
  • the shield is made of an im Cross-section rectangular tubular ring formed in its interior Can absorb cooling air.
  • On the wall of the Rings are holes and this wall is porous on the outside Provide layer, which can be penetrated by the cooling air.
  • the porous Layer consists of a material sintered from small balls.
  • the balls are made of a nickel-based super alloy.
  • DE 2 038 047 describes a structural precaution on guide vanes that are inside the flow space of a steam turbine, in particular a saturated and wet steam turbine, is arranged and to drain the surfaces of each Guide vanes.
  • the guide vane provides drainage channels that are covered with porous, liquid-permeable material made of metallic materials or their Alloys is made, are filled.
  • porous, liquid-permeable Material is used solely for the targeted removal of water from the interior of a steam turbine.
  • DE 33 27 218 A1 describes a thermally highly stressed, cooled component, in particular a turbine blade which, for the sake of reducing the Thermal stress is covered with a metal felt layer, which in turn is covered with an additional, ceramic thermal insulation layer.
  • the metal felt layer serves as an elastic carrier material for the ceramic Thermal insulation layer (see page 4, lines 33 to page 5, line 2, page 6, 1. Paragraph and page 7, lines 2 to 7), but there is also a metal felt layer heat-dissipating effect, especially since cooling air via cooling air guide grooves 3 (see 1) is fed to the underside of the metal felt layer to make it local to cool and in this way to optimal heat dissipation by the Thermal insulation layer 6 to pass through flowing heat.
  • the invention has for its object a turbine blade with a metallic Blade body and a protective cover made of a porous intermetallic felt is formed and in the blade body of the turbine blade cooling air channels are formed, which open on the intermetallic felt to this with cooling air supply in such a way that the turbine blade can be cooled better than it is possible in the case of the prior art. This is also intended to increase efficiency the turbine can be increased.
  • the turbine blade according to the invention is characterized in that the intermetallic felt based on an iron or nickel-aluminide alloy, with mixed proportions between Fe: Al and Ni: Al of approx. 50:50, with the ratio that Atomic ratio is meant.
  • the intermetallic felt based on an iron or nickel-aluminide alloy with mixed proportions between Fe: Al and Ni: Al of approx. 50:50, with the ratio that Atomic ratio is meant.
  • Metallic felts are also said to comprise ratios between 40:60 to 60:40 obtained, the oxidizability is very weak, which on the one hand The lifespan of such metallic felts can be increased significantly and others retain their felt structure for longer.
  • iron or nickel-aluminide alloy Add substances or elements of the respective alloy, e.g. Ta, Nb, Cr, B, Si, Zr or Ga. It is essential when adding additional elements that the atomic Mixing ratio between Fe and Al or Ni and Al in the order of magnitude remains at 50:50.
  • cooling channels are provided according to the invention in the protective coating Blade body facing, open in the area of the cooling channels. In this way it can be ensured that the intermetallic felt is additionally increased by cooling air is flowed through. This can create a risk of turbine blade overheating be excluded.
  • the porous intermetallic felt on the surface of the blade body does not immediately cool air introduced into it with the Hot gases come into contact with the turbine, but occurs gradually and on a larger scale Surface distributed through the intermetallic felt.
  • the intermetallic felt the higher surface temperatures than conventional materials for turbine blades can be intensively cooled as a result, whereby the turbine blade with a compared to a turbine blade, in which the cooling air ducts directly emerge on the surface, extremely small amount of cooling air at operating temperature can be held. Because the amount of cooling air because of better heat transfer the efficiency of the turbine is correspondingly much lower increased because less cooling air does not affect the energy supply in the combustion chamber participates and reduces the efficiency of the turbine.
  • the gradual flow of cooling air through the intermetallic felt causes the exit velocity of the cooling air on the surface of the turbine blade is very low and does not adversely affect the aerodynamics in the manner known hitherto. This is especially true if the intermetallic felt is on the leading edge the turbine blade is arranged because then, unlike conventional ones cooled turbine blades, the flow behavior of the turbine blade impinging gases are not adversely affected by counter-flowing cooling air becomes.
  • the cooling channels incorporated in the intermetallic felt which the felt layer does not necessarily push through completely, but only partially penetrate the felt, ensure that the protective cover is optimally supplied with cooling air.
  • the turbine blade according to the invention allows because of the smaller amount of cooling air and the improved aerodynamics, a considerable increase in efficiency a turbine equipped with these turbine blades.
  • the intermetallic felt is also insensitive to mechanical loads, such as. Impact of foreign objects, as these only result in small, local deformations lead, but neither the function of the cooling system essential nor affect the basic function of the blade.
  • Fig. 1 shows a turbine blade 1 according to the invention in section.
  • the turbine blade 1 has a known aerodynamic shape and is made of two Side walls 2, 3 formed.
  • the turbine blade has in the leading edge region 4 1 has an approximately semicircular outer surface that is flush with the outer surfaces the side walls 2, 3 merges.
  • the side walls 2, 3 run from Front edge area 4 together in the direction of a rear edge 5, wherein they in Area of the rear edge 5 are firmly connected.
  • Adjacent to the im Cut approximately semicircular leading edge area 4 is between the side walls 2, 3 a transverse web 6 is arranged, the space between the two Side walls 2, 3 divided into two cooling air channels 7, 8, through which the Turbine blade 1 cooling air is supplied.
  • the front edge region 4 of the turbine blade is designed in two layers, wherein an inner layer by a front edge part 9 which is approximately ring segment-shaped in section and an outer layer by an intermetallic felt Protective cover 10 are formed.
  • the approximately circular segment-shaped front edge part 9 is with the side walls 2, 3 each connected via a transition part 11, 12.
  • the transition parts 11, 12 form a constriction area continuously tapering toward the leading edge portion.
  • the two side walls 2, 3, the crossbar 6, the transition parts 11, 12 and the leading edge part 9 are formed in one piece from metal and form one Blade body.
  • the front edge part 9 is provided with approximately radially extending cooling bores 13, which open into cooling channels 13 'which protrude into the protective coating 10.
  • further cooling bores 14 can be introduced, which form the side walls 2, 3 sloping from the inside to the outside towards the rear edge 5 enforce.
  • the constriction area in the leading edge area 4 forms a recess for Inclusion of the protective cover 10 consisting of the intermetallic felt.
  • the intermetallic felt is made of a felt-like material, such as it, for example, from "VDI Report 1151, 1995, Metallic High Temperature Fibers by melt extraction - manufacture, properties and applications, Stephani et al., page 175ff ".
  • the so educated Felt-like material is used as a filter and as a catalyst carrier.
  • this felt-like material is made from intermetallic fibers and used as a protective covering for a turbine blade.
  • the intermetallic felt consists of an iron-aluminide or nickel-aluminide alloy with an alloy ratio between each of the two alloy partners of about 50:50.
  • These alloys have high heat resistance and high oxidation resistance and advantageous thermal conductivity properties.
  • the above are Properties by choosing the intermetallic phase in a wide range Range adjustable.
  • the protective cover 10 made of intermetallic felt is in the recess of the turbine blade 1 fixed by high temperature soldering, the solder a higher Melting point as the application temperature in the turbine.
  • the porosity of the protective coating 10 can be determined by the parameters of the manufacturing process how to set the pressing pressure and sintering temperature. This is the Flow resistance of the protective coating 10 to the respective requirements adjustable.
  • the thickness of the protective coating is e.g. in the range of 2-8 mm.
  • Cooling air is the leading edge part through the cooling channel 7 during operation of the turbine 9 supplied, the cooling air through the formed in the leading edge part Bores 13, 13 'to the outside in the protective cover 10 made of intermetallic felt flows.
  • the incoming air is distributed over an area and flows through the felt. Because of the large contact area between the Intermetallic felt and the cooling air have excellent heat transfer properties, so that the predominant heat capacity of the cooling air for cooling the Protective cover 10 is used. It also works from an intermetallic felt existing protective coating 10 as a thermal insulator against the blade body.
  • the rear edge 5 of the turbine blade with a protective cover made of intermetallic felt to provide a protective coating over the entire surface of the turbine blade.
  • the protective cover can be of variable thickness and / or of variable porosity his.
  • the porosity can e.g. in the course from the leading edge area 4 to the trailing edge 5 remove, causing the intermetallic felt to be more exposed to heat Front edge absorbs more cooling air than in the rest of the area. It can also be useful be to vary the porosity along the span.
  • the intermetallic felt can e.g. also with a corrosion protection layer or Thermal protection layer to be coated.
  • a so-called TBC layer Thermal Barrier Coating
  • the felt can be Deformability Differences in the thermal expansion behavior of the protective layer and balance the base material.
  • Another advantage of the protective coating according to the invention is that it has Foreign body damage is insensitive, i.e. usually only local deformations are generated that hardly affect the function of the turbine blade.
  • the turbine blades according to the invention are for use in a gas turbine designed.
  • the front edges of the blades of the first turbine guide row are to be provided with the protective coating according to the invention, since they are special are strongly exposed to the hot gases of the turbine.

Landscapes

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Abstract

Beschrieben wird eine Turbinenschaufel mit einem metallischen Schaufelkörper und einem Schutzüberzug, der aus einem porösen Intermetallik-Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel Kühlluftkanäle ausgebildet sind, welche am Intermetallik-Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Intermetallik-Filz auf einer Eisen- oder Nickel-Aluminid-Legierung basiert, mit Mischungsanteilen zwischen Fe:AI bzw. Ni:Al von ca. 50:50, und daß der Schutzüberzug Kühlkanäle 13' aufweist, die, dem Schaufelkörper zugewandt, im Bereich der Kühlkanäle münden. 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. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel mit einem metallischen Schaufelkörper und einem Schutzüberzug, der aus einem porösen Intermetallik-Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel Kühlluftkanäle ausgebildet sind, welche am Intermetallik-Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen.
Stand der Technik
Aus der DE 42 41 420 C1 geht eine aus einer Titanlegierung bestehende Verdichterschaufel hervor, die mit einer abrasiven Schaufelpanzerung versehen ist. Die Schaufelpanzerung besteht aus einer Nickelmatrix, in welche Bornitridpartikel eingeschlossen sind. Diese Schaufelpanzerung wird vorzugsweise an der Schaufelspitze vorgesehen.
Die DE 32 03 869 A1 beschreibt eine aus einem metallischen Laufschaufelgrundkörper (Kern) und einem keramischen Hohlkörper (Schaufelmantel) bestehende Laufschaufel. Der Schaufelmantel wird mittels metallischer Haltestifte am Laufschaufelkern 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 Durchgang zwischen einem rotierenden und einem nicht-rotierenden Teil abdichten soll. Die Dichtungsanordnung weist eine an einem der beiden Teile angeordnete Flächendichtung und einen Kantenteil auf, der der Flächendichtung gegenüberliegend angeordnet und am anderen Teil befestigt ist. Der Kantenteil weist in die Flächendichtung 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 zusammengesetzt, die eine matten- oder filzartige Konstruktion bilden. Dieses Material wird durch Sintern einer Matrix aus willkürlich orientierten Metallfasern bei einer hohen Temperatur und reduziertem Druck hergestellt, wobei sich eine vollkommen verfilzte 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 somit 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 gegenüberligenden Wandung des Ringes sind Löcher eingebracht und diese Wandung ist außenseitig mit einer porösen Schicht versehen, welche von der Kühlluft durchdrungen werden kann. Die poröse Schicht besteht aus einem aus kleinen Kugeln gesinterten Material. Die Kugeln sind aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung ausgebildet.
Die DE 2 038 047 beschreibt eine bauliche Vorkehrung an Leitschaufeln, die innerhalb des Strömungsraumes einer Dampfturbine, insbesondere einer Satt- und Naßdampfturbine, angeordnet ist und zur Entwässerung der Oberflächen der einzelnen Leitschaufeln dient. Um die durch Wassertropfenanschlag an die Oberflächen der Laufschaufeln von Naßdampfturbinen hervorgerufene Erosion zu vermindern bzw. ganz zu vermeiden, sieht die Leitschaufel Entwässerungskanäle vor, die mit porösem, flüssigkeitsdurchlässigem Material, das aus metallischen Werkstoffen oder deren Legierungen gefertigt ist, ausgefüllt sind. Die Verwendung von porösem, flüssigkeitsdurchlässigem Material dient einzig und allein der gezielten Wasserentfernung aus dem Innenraum einer Dampfturbine.
Die DE 33 27 218 A1 beschreibt ein thermisch hochbeanspruchtes, gekühltes Bauteil, insbesondere einen Turbinenschaufel, die aus Gründen der Reduzierung der Wärmebelastung mit einer Metallfilz-Schicht überzogen ist, die ihrerseits wiederum mit einer zusätzlichen, keramischen Wärmedämmschicht abgedeckt ist. Grundsätzlich dient die Metallfilz-Schicht als elastisches Trägermaterial für die keramische Wärmedämmschicht (siehe hierzu Seite 4, Zeilen 33 bis Seite 5, Zeile 2, Seite 6, 1. Absatz sowie Seite 7, Zeilen 2 bis 7), jedoch kommt der Metallfilz-Schicht auch eine wärmeabführende Wirkung bei, zumal Kühlluft über Kühlluft-Führungsnuten 3 (siehe hierzu Fig. 1 ) an die Unterseite der Metallfilz-Schicht zugeführt wird, um diese lokal zu kühlen und auf diese Weise zu einer optimalen Wärmeabführung der durch die Wärmedämmschicht 6 hindurchfließenden Wärme zu gelangen.
Zur bekannten Anordnung gemäß der oben zitierten Druckschrift kann festgestellt werden, daß Metallfilz zum thermischen Schutz auf der Oberfläche von Turbinenschaufeln aufgebracht ist, doch reicht die Schutzwirkung, insbesondere bei den thermisch sehr stark beanspruchten Turbinenschaufeln nicht in genügender Weise aus, das Material, aus dem die Turbinenschaufeln gefertigt sind, ausreichend vor Überhitzung zu schützen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel mit einem metallischen Schaufelkörper und einem Schutzüberzug, der aus einem porösen Intermetallik-Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel Kühlluftkanäle ausgebildet sind, welche am Intermetallik-Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen, derart weiterzubilden, daß die Turbinenschaufel besser kühlbar ist als es im Falle des Standes der Technik möglich ist. Hierdurch soll überdies der Wirkungsgrad der Turbine erhöht werden.
Die Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, daß der Intermetallik-Filz auf einer Eisen- oder Nickel-Aluminid-Legierung basiert, mit Mischungsanteilen zwischen Fe:Al bzw. Ni:Al von ca. 50:50, wobei mit dem Verhältnis das Atomverhältnis gemeint ist. Durch ein derartiges Mischungsverhältnis, das durchaus auch Verhältnisses zwischen 40:60 bis 60:40 umfassen soll, werden Metallik-Filze erhalten, deren Oxidierbarkeit sehr schwach ausgeprägt ist, wodurch zum einen die Lebensdauer derartiger Metallik-Filze entscheidend erhöht werden kann und zum anderen ihre Filzstruktur länger erhalten bleibt.
Auch ist es möglich zusätzlich zu der Eisen- oder Nickel-Aluminid-Legierung weitere Stoffe bzw. Elemente der jeweiligen Legierung beizumischen bspw. Ta, Nb, Cr, B, Si, Zr oder Ga. Wesentlich bei der Beimischung zusätzlicher Elemente ist, daß das atomare Mischungsverhältnis zwischen Fe und Al bzw. Ni und Al in der Größenordnung um 50:50 bleibt.
So wird bei herkömmlichen Filzen durch oxidative Prozesse die Filzstruktur während ihres Einsatzes derart in Mitleidenschaft gezogen, so daß bspw. ihr Vermögen bezüglich ihrer Kühlluftdurchlässigkeit entscheidend abnimmt. Überhitzung der Turbinenschaufel ist hiervon die Folge.
Ferner sind erfindungsgemäß im Schutzüberzug Kühlkanäle vorgesehen, die, dem Schaufelkörper zugewandt, im Bereich der Kühlkanäle münden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß der Intermetallik-Filz zusätzlich vermehrt von Kühlluft durchströmt wird. Eine Gefahr einer Turbinenschaufelüberhitzung kann damit ausgeschlossen werden.
Grundsätzlich kommt durch Vorsehen des porösen Intermetallik-Filzes auf der Oberfläche des Schaufelkörpers eine in diesen eingeleitete Kühlluft nicht sofort mit den Heißgasen der Turbine in Berührung, sondern tritt allmählich und auf einer größeren Fläche verteilt durch den Intermetallik-Filz hindurch. Der intermetallische Filz, der höhere Oberflächentemperaturen 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 wesentlich geringer ist wird der Wirkungsgrad der Turbine entsprechend erhöht, da weniger Kühlluft nicht an der Energiezufuhr in der Brennkammer teilnimmt und den Wirkungsgrad der Turbine vermindert.
Das allmähliche Durchströmen der Kühlluft durch den Intermetallik-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 beeinträchtigt. Dies gilt insbesondere, wenn der intermetallische Filz an der Vorderkante der Turbinenschaufel angeordnet ist, da dann, im Gegensatz zu herkömmlichen gekühlten Turbinenschaufeln, das Strömungsverhalten der auf die Turbinenschaufel auftreffenden Gase nicht durch entgegenströmende Kühlluft negativ beeinträchtigt wird.
Die, in dem Intermetallik-Filz eingarbeiteten Kühlkanäle, die die Filzschicht nicht notwendigerweise vollständig durchsetzen, sondern nur teilweise in den Filz eindringen, sorgen dafür, daß der Schutzüberzug optimal mit Kühlluft versorgt wird.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel erlaubt wegen der geringeren Kühlluftmenge und der verbesserten Aerodynamik eine beträchtliche Steigerung des Wirkungsgrades einer mit diesen Turbinenschaufeln ausgerüsteten Turbine.
Der intermetallische Filz ist zudem unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen, wie z.B. Fremdkörpereinschlag, da diese lediglich zu kleinen, lokalen Verformungen führen, jedoch weder die Funktion des Kühlsystems wesentlich noch die grundsätzliche Funktion der Laufschaufel beeinträchtigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 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 Intermetallik-Filz in perspektivischer Ansicht.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, gewerbliche Anwendbarkeit
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel 1 im Schnitt. Die Turbinenschaufel 1 weist eine an sich bekannte aerodynamische Form auf und ist aus zwei Seitenwandungen 2, 3 ausgebildet. Im Vorderkantenbereich 4 weist die Turbinenschaufel 1 eine etwa halbkreisförmige Außenfläche auf, die bündig in die Außenflächen 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 Seitenwandungen 2, 3 ein Quersteg 6 angeordnet, der den Zwischenraum zwischen den beiden 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 Intermetallik-Filz ausgebildeten Schutzüberzug 10 gebildet werden.
Das etwa kreissegmentförmige Vorderkantenteil 9 ist mit den Seitenwandungen 2, 3 jeweils über ein Übergangsteil 11, 12 verbunden. Die Übergangsteile 11, 12 bilden einen sich in Richtung zu dem Vorderkantenteil kontinuierlich verjüngenden Einschnührungsbereich.
Die beiden Seitenwandungen 2, 3, der Quersteg 6, die Übergangsteile 11, 12 und das Voderkantenteil 9 sind einstückig aus Metall ausgebildet und bilden einen Schaufelgrundkörper.
Das Vorderkantenteil 9 ist mit etwa radial verlaufenden Kühlbohrungen 13 versehen, die in Kühkanäle 13' münden, die in den Schutzüberzug 10 einragen. 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 Einschnührungsbereich im Vorderkantenbereich 4 bildet eine Ausnehmung zur Aufnahme des aus dem Intermetallik-Filz bestehenden Schutzüberzugs 10.
Grundsätzlich besteht der intermetallische Filz aus einem filzähnlichen Material, wie es beispielsweise 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. Erfindungsgemäß wird dieses filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern hergestellt und als Schutzüberzug für eine Turbinenschaufel verwendet. Dazu werden vorteilhafterweise intermetallische Phasen auf Eisen- oder Nickelbasis verwendet. Der Intermetallik-Filz besteht erfindungsgemäß aus einer Eisen-Aluminid- oder Nikkel-Aluminid-Legierung mit einem Legierungsverhältnis zwischen jeweils beiden Legierungspartner von etwa 50:50.
Diese Legierungen weisen eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften auf. Zudem sind die vorgenannten Eigenschaften durch die Wahl der intermetallischen Phase in einem weiten Bereich einstellbar.
Der Schutzüberzug 10 aus Intermetallik-Filz ist in der Ausnehmung der Turbinenschaufel 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 Herstellungsverfahrens 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 erläutert.
Kühlluft wird während des Betriebs der Turbine durch den Kühlkanal 7 dem Vorderkantenteil 9 zugeführt, wobei die Kühlluft durch die im Vorderkantenteil ausgebildeten Bohrungen 13, 13' nach außen in den Schutzüberzug 10 aus Intermetallik-Filz strömt. Im Intermetallik-Filz verteilt sich die einströmende Luft auf einen Flächenbereich und durchströmt den Filz. Aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem Intermetallik-Filz und der Kühlluft bestehen hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften, so daß die überwiegende Wärmekapazität der Kühlluft zum Kühlen des Schutzüberzugs 10 ausgenutzt wird. Zudem wirkt der aus einem Intermetallik-Filz bestehende Schutzüberzug 10 als thermischer Isolator gegenüber dem Schaufelgrundkörper.
Im Vergleich zu herkömmlichen mit Luft gekühlten Turbinenschaufeln ist eine wesentlich geringere Kühlluftmenge notwendig. Da sich die relativ geringe Kühlluftmenge 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 Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Im Rahmen der Erfindung ist es z.B. auch möglich, die Hinterkante 5 der Turbinenschaufel mit einem aus Intermetallik-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 zweckmäßig 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 sogenannte TBC-Schicht (Thermal Barrier Coating) verwendet werden, die typischerweise aus einem keramischen Grundstoff ausgebildet ist. Der Filz kann hierbei durch seine Verformbarkeit Unterschiede im thermischen Dehnungsverhalten der Schutzschicht und des Grundmaterials ausgleichen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schutzüberzuges ist, daß er gegenüber Fremdkörperschäden unempfindlich ist, d.h., daß in der Regel lediglich lokale Verformungen erzeugt werden, die die Funktion der Turbinenschaufel kaum beeinträchtigen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann sich sogar der Schutzüberzug 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
13,13'
Kühlbohrung
14
Kühlbohrung

Claims (15)

  1. Turbinenschaufel mit einem metallischen Schaufelkörper und einem Schutzüberzug (10), der aus einem porösen Intermetallik-Filz ausgebildet ist und im Schaufelkörper der Turbinenschaufel (1) Kühlluftkanäle (13) ausgebildet sind, welche am Intermetallik-Filz münden, um diesen mit Kühlluft zu versorgen,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Intermetallik-Filz auf einer Eisen- oder Nickel-Aluminid-Legierung basiert, mit Mischungsanteilen zwischen Fe:Al bzw. Ni:Al von ca. 50:50, und
    daß der Schutzüberzug Kühlkanäle 13' aufweist, die, dem Schaufelkörper zugewandt, im Bereich der Kühlkanäle münden.
  2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Eisen- oder Nickel-Aluminid-Legierung zusätzliche Bestandteile von Ta, Nb, Cr, B, Si, Zr oder Ga aufweist.
  3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkanäle 13' vorgesehen sind, die den Schutzüberzug vollständig durchsetzen.
  4. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkanäle 13' vorgesehen sind, die in den Schutzüberzug nur teilweise eindringen.
  5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorderkante (4) des Schaufelkörpers mit dem Intermetallik-Filz versehen ist.
  6. Turbineschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Hinterkante (5) des Schaufelkörpers mit dem Intermetallik-Filz versehen ist.
  7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper in dem, mit dem Intermetallik-Filz versehenen Bereich mit einer Ausnehmung versehen ist, in welcher der Intermetallik-Filz angeordnet ist, so daß er bündig mit dem angrenzenden Bereich des Schaufelkörpers abschließt.
  8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Schaufelkörper mit dem Intermetallik-Filz überzogen ist.
  9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Intermetallik-Filz aus zusammengepressten und gesinterten intermetallischen Fasern ausgebildet ist.
  10. Turbinenschaufel nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallischen Fasern aus einer intermetallischen Phase auf Eisenbasis oder Nickelbasis ausgebildet sind.
  11. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Intermetallik-Filzes beschichtet sind.
  12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Intermetallik-Filzes mit einer Korrosionsschutzschicht und/oder einer Wärmeschutzbeschichtung beschichtet sind.
  13. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenschaufel am Rotor einer Turbomaschine angeordnet ist.
  14. Turbinenschaufel nach Anspruch 12
    dadurch gekennzeichnet, daß die in einer ersten Leitreihe angeordneten Turbinenschaufeln mit dem aus Intermetallik-Filz ausgebildeten Schutzüberzug versehen sind.
  15. Turbinenschaufeln nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Turbomaschine eine Gasturbine ist.
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