Thermisch hochbeanspruchte, gekühlte Turbinenschaufel

Abstract

 Bei einem thermisch hochbeanspruchten gekühlten Bauteil, insbesondere einer Turbinenschaufel, ist ein metallischer Stützkern (2) mit an der Oberfläche integiert ausgebildeten Kühlluftführungsnuten (3) und einem wärmedämmenden Mantel vorgesehen. Dieser Mantel besteht aus einem fest mit dem metallischen Stützkern (2) verbundenen Metallfilz (4), auf den außenseitig eine keramische Wär_- medämmschicht (6) aufgebracht ist. Insbesondere ist der Metallfilz (4) von außen teilweise mit Keramik infiltriert und außen mit einer kompakten Keramikschicht überzogen. Dadurch wird die durch die Wärmedämmschicht im Betrieb hindurchgehende Wärme der großen Oberfläche des Metallfilzes zugeführt und optimal auf kürzestem Wege dem Kühlmedium zugeleitet, ohne den metallischen Stützkern (2) nennenwert wärmemäßig zu belasten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein thermisch hochbeanspruchtes gekühltes Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel, mit einem tragenden metallischen Kern, der an seiner Oberfläche integrierte Kühlluftführungsnuten aufweist und mit einem wärmedämmendem Mantel.

[0002] Da die Prozeßtemperaturen von thermischen Kraftmaschinen in jüngerer Zeit immer höher geschraubt werden, andererseits aber keine Materialien gefunden werden konnten, die bei den extrem hohen Prozeßtemperaturen genügend mechanische Festigkeit bzw. Dauerhaftigkeit aufweisen, geht man heute davon aus, daß Bauteile, die extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie z.B. Turbinenschaufeln von Gasturbinen, in jedem Fall mittels einer besonders vorzusehenden Kühlvorrichtung auf einem zulässigen Temperaturniveau gehalten werden müssen.

[0003] Neben vielen anderen Kühlvorrichtungen sind Entwicklungen bekannt, wonach thermisch hochbeanspruchte Bauteile mit porösen Oberflächen versehen werden, durch die aus einem inneren Hohlraum heraus ein Kühlmedium nach außen strömt und somit eine kühlende Grenzschicht an der Oberfläche des Bauteils ausbildet. Ein derartiges Kühlprinzip ist als sogenannte Effusionskühlung bekannt (vgl. DE-OS 25 03 285). Nachteilig ist hierbei der hohe Durchströmungswiderstand der Kühlluft sowie der große Kühlluftverbrauch für eine effektive Kühlung der äußeren Manteloberfläche.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines thermisch hochbeanspruchten gekühlten Bauteils der eingangs genannten Art, das bei einfachem Aufbau im Betrieb besonders gut und effektiv gekühlt werden kann.

[0005] Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch, daß der Mantel aus einem Schichtverbund, der aus einem fest mit den Stegen der Kühlluftführungsnuten verbundenen und die Kühlluftführungsnuten abdeckenden Metallfilz auf den außenseitig eine keramische Wärmedämmschicht aufgebracht ist, besteht. Die Kühlluftführungsnuten sind zweckmäßigerweise bereits beim Feingußverfahren des metallischen Stützkerns vorgefertigt oder nachträglich durch Fräsen, Funkenerodieren oder elektrochemisches Abtragen eingearbeitet.

[0006] Vorteilhafterweise ist der Metallfilz auf die Stege der Kühlluftführungsnuten aufgelötet, geschweißt oder geklebt. Nach dem Stand der Technik gemäß DE-OS 25 03 285 sind Stützkernstege und Außenmantel einstückig gegossen und mithin vergleichsweise,aufwendig in der Fertigung. Der Metallfilz besteht zweckmäßigerweise aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierung, insbesondere auf Nickel- und/oder Kobaltbasis (beispielsweise NiCr, NiCrAl, Hastelloy X, NiCrAlY-Legierung, CoCrAlY-Legierung).

[0007] Der Metallfilz dient als elastisches Trägermaterial für eine keramische Wärmedämmschicht, die auf verschiedene Weise auf den Filz aufgebracht werden kann. Für einen besonders guten Halt ist vorgesehen, daß der Metallfilz von außen teilweise mit Keramik infiltriert und außen mit einer kompakten Keramikschicht überzogen ist, die die eigentliche Wärmedämmschicht bildet.

[0008] Die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht erfolgt zweckmäßigerweise durch thermisches Spritzen oder durch ein Schlicker-Sinterverfahren.

[0009] Auch kann die Infiltration und Aufbringung der Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erfolgen.

[0010] Zweckmäßigerweise besteht die Keramikschicht aus teil-oder vollstabilisiertem Zirkonoxid. Die Aufbringung auf den Metallfilz kann durch eines der vorgenannten, aber auch durch Kombination von mehreren der vorgenannten Verfahren erfolgen.

[0011] Die äußere Oberfläche der eigentlichen keramischen Wärmedämmschicht ist zweckmäßigerweise poliert und/oder aerodynamisch geformt, um Turbinenschaufelzwecken besser zu dienen.

[0012] Durch die Erfindung wird mithin ein neues Kühlungskonzept für ein thermisch hochbeanspruchtes gekühltes Bauteil geschaffen: es wird die Kühlkonfiguration der Effusionskühlung mit einer Wärmedämmschicht kombiniert, wodurch auf die mit großem Kühlluftverbrauch verbundene Lufteffusion zur Verminderung des Wärmeübergangs verzichtet werden kann. Stattdessen wird die Wärmedämmung einer Keramikschicht ausgenutzt. Die noch durch die Wärmedämmschicht hindurchfließende Wärme wird durch den Metallfilz, der eine sehr große Oberfläche besitzt, optimal abgeführt, und zwar wird die Wärme der Wärmedämmschicht direkt entzogen, so daß der die Belastung tragende metallische Stützkern des hochbeanspruchten Bauteils vergleichsweise kalt bleibt. Im Vergleich zur Effusionskühlung kann durch die Erfindung bei gleicher Kühlungseffektivität Kühlluft eingespart und der thermodynamische Wirkungsgrad gesteigert werden. Die wärmedämmende Keramikschicht kann durch die Metallfilz-Zwischenschicht wesentlicher dichter als bei direkter Aufbringung auf den kompakten metallischen Grundkörper hergestellt werden, so daß eine sehr gute Wärmedämmung möglich ist.

[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

_Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Turbinenschaufel,

Fig. 2 die Einzelheit A der Fig. 1 in größerer schematischer Darstellung, und

Fig. 3 den Hinterkanten-Querschnitt der Turbinenschaufel in anderer Ausführung.

[0014] In Fig. 1 ist schematisch das Innere einer Turbinenschaufel 1 gezeigt. Die Turbinenschaufel 1 setzt sich aus einem metallischen Stützkern 2, einem den metallischen Stützkern 2 umschließenden Metallfilz 4 und einer außenseitig den Metallfilz 4 umschließenden keramischen Wärmedämmschicht 6 in einer Verbundbauweise zusammen.

[0015] Der metallene Stützkern ist eine Nickelbasislegierung und besitzt an seiner Oberfläche eingearbeitete Kühlluftführungsnuten 3 mit Stegen 5, an denen der Metallfilz 4 aufgelötet, geschweißt oder angeklebt ist.

[0016] Der Metallfilz selbst ist auf NiCrAl-Basis aufgebaut, ist als elastisches Trägermaterial für die äußere Wärmedämmschicht 6 vorgesehen und bietet eine großeoberfläche zur optimalen Abführung der durch die Wärmedämmschicht 6 hindurchfließenden Wärme.

[0017] Die äußere Wärmedämmschicht 6 ist teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid, wobei eine gute Verankerung der äußeren Wärmedämmschicht 6 mit dem Metallfilz 4 durch Teilinfiltration des Filzes erzielt wird, und zwar vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Die Infiltrationsschicht des Filzes ist deutlich in der Einzelheit A der Fig. 2 gezeigt. Auf ihr ist die kompakte Zirkonoxidschicht abgeschieden, die die eigentliche wärmedämmende Funktion übernimmt.

[0018] Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Wärme im Betrieb nicht durch das gesamte Bauteil fließen muß, sondern auf kürzestem Wege dem Kühlmedium zugeführt wird, wobei der Wärmefluß durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht insgesamt niedrig gehalten wird, so daß trotz gesteigerter Gastemperatur ein geringer Kühlluftbedarf notwendig ist.

[0019] Der leicht verformbare Metallfilz 4, der bevorzugt ein warmfester, z. B. NiCrAl-Filz ist, der aus Nickelbasislegierung auf den metallischen Stützkern aufgelötet ist, gestattet die Aufbringung einer sehr dichten und vergleichsweise dicken Keramikschicht (im Vergleich zur Aufbringung auf massive metallische Substrate), da die Unterschiede in der thermischen Dehnung zwischen Metall und Keramik durch die leichte Deformierbarkeit des Metallfilzes nicht zum Aufbau von für die Keramik unzulässig hohen Spannungen führt.

[0020] In Fig. 1 ist in der Einzelheit B1 eine Turbinenschaufelhinterkante gezeigt, die vergleichsweise spitz ausgebildet ist und die Enden des eingeschlossenen Metallfilzes 4 enthält.

[0021] Die in Fig. 3 veranschaulichte Einzelheit B₂ kennzeichnet sich durch eine andere Austriebskantenkonstruktion mit größerer Rundung.

Ansprüche

1. Thermisch hochbeanspruchtes gekühltes Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel, mit einem tragendem metallischen Kern, der an seiner Oberfläche integrierte Kühlluftführungsnuten aufweist und mit einem wärmedämmenden Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem Schichtverbund, der aus einem fest mit den Stegen (5) der Kühlluftführungsnuten (3) verbundenen und die Kühlluftführungsnuten abdeckenden Metallfilz (4) auf den außenseitig eine keramische Wärmedämmschicht (6) aufgebracht ist, besteht.

₂. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der _Metallfilz (4) auf die Stege (5) aufgelötet, geschweißt oder geklebt ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilz (4) aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Legierung besteht.

4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilz (4) eine Legierung auf Nickel- und/oder _Kobaltbasis ist.

₅. Bauteil nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ^gekenn- zeichnet, daß der Metallfilz (4) von außen teilweise mit Keramik (7) infiltriert und außen mit einer kompakten Keramikschicht überzogen ist, die die eigentliche Wärmedämmschicht (6) bildet.

6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht durch thermisches Spritzen erfolgt.

7. Bauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht durch ein Schlicker-Sinterverfahren erfolgt.

B. Bauteil nach den Ansprüchen 5 bis 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration und Aufbringung der Keramikschicht durch Chemische Gasphasenabscheidung erfolgt.

⁹. Bauteil nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht (6) außen poliert _und/oder aerodynamisch geformt ist.

10. Bauteil nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid besteht.

Zeichnung