DE102018211592A1

DE102018211592A1 - CMC-Formkörper mit Kühlsystem

Info

Publication number: DE102018211592A1
Application number: DE102018211592.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lampenscherf; Steffen Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CMC-Formkörper mit Kühlsystem. Ein CMC-Formkörper ist eine Komponente aus einem keramischen faserverstärkten Komposit-Material, dem Ceramic-Matrix-Composite oder „CMC“-Material. Diese Komponenten sind insbesondere für Heißgasapplikationen geeignet und beispielsweise als Turbinenkomponenten, insbesondere Gasturbinenkomponenten und/oder als Bauteile eines Abgasstrangs einsetzbar. Durch die Erfindung wird erstmals das Prinzip eines zweikomponentigen Kühlsystems, eine Prallkühlung mit relativ großen, ersten Hohlräumen und eine fein ziselierte zweite Kühlstruktur mit relativ kleinen zweiten Hohlräumen umfassend, offenbart, wobei die Kühlstruktur mit kleineren Hohlräumen vor allem in Bereichen großer Wandstärke des CMC-Formkörpers vorgesehen ist und umgekehrt.

Description

Die Erfindung betrifft einen CMC-Formkörper mit Kühlsystem. Ein CMC-Formkörper ist eine Komponente aus einem keramischen faserverstärkten Komposit-Material, dem Ceramic-Matrix-Composite oder „CMC“-Material. Diese Komponenten sind insbesondere für Heißgasapplikationen geeignet und beispielsweise als Turbinenkomponenten, insbesondere Gasturbinenkomponenten und/oder als Bauteile eines Abgasstrangs einsetzbar.
Bislang werden beispielsweise Formkörper wie Turbinenschaufeln, beispielsweise für stationäre Gasturbinen, aus Nickelbasierten Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz-Beschichtungen, z.B. TBC-Beschichtungen, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiterentwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und nach allgemeiner Abschätzung der Fachwelt ist nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.
Demgegenüber ist die Technik des Bauteil-Aufbaus mit CMCs, also der faserverstärkten keramischen Materialien eine Alternative, die allein und/oder in Kombination mit Teilelementen aus Metallen und insbesondere aus Superlegierungen, als CMC-Formkörper oder so genannte CMC-Metall-Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neuartiger heißgasstabiler Produkte wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang noch gewinnbringend, also zu substantiellen Steigerungen führend, eingesetzt werden kann. In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente in einem Verbund umfasst.
In der Regel umfasst ein CMC-Formkörper Lagen, die ihrerseits Fasern, auch in Form eines Faserverbunds, eines Gewebes und/oder eines dreidimensionalen Verbunds aus - keramischen - Fasern, die in eine - keramische - Matrix eingebettet sind, umfassen. Zur Herstellung des CMC-Formkörpers werden bevorzugt CMC-Prepreg-Lagen aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper gesintert.
Aus der DE 102018201555 ist ein CMC-Formkörper bekannt, bei dem das so genannte WrapStack-Aufbaukonzept realisiert ist. Die so hergestellten CMC-Formkörper weisen eine sehr hohe Robustheit auf und ertragen auch große thermische Gradienten und/oder Spannungen. Sie können grundsätzlich mit konvektiver Kühlung betrieben werden, weil die im Wrap-Aufbau realisierten ersten CMC-Teilelemente beispielsweise dort einen Hohlraum definieren, wo der Wrap-Aufbau auf einen Kern oder eine Stützstruktur zur Bildung des Laminats aufgelegt wurde.
Dabei werden um einen Kern, eine Stützstruktur und/oder freistehend Prepreg-CMC-Laminatlagen im Wickel-Aufbaukonzept, also im Wrap-Aufbaukonzept, laminiert. Dieses Laminat wird dann als innenliegendes CMC-Teilelement eines CMC-Formkörpers von einem zweiten äußeren CMC-Teilelement umgeben, wobei das äußere CMC-Teilelement zumindest teilweise im Stack-Aufbaukonzept realisiert ist.
Als Kühlsystem werden bei dem aus der DE 102018201555 bekannten Aufbau beispielsweise Hohlräume, die durch das erste im WRAP-Aufbaukonzept realisierte, CMC-Teilelement definiert werden, vorgeschlagen.
Am so genannten „trailing edge“, der Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel einer Turbine, die nach dieser Technik in der CMC-Bauweise herstellbar ist, reicht aber beispielsweise diese Kühlung in der Regel nicht aus, so dass nach Alternativen und/oder Ergänzungen zu der aus der DE 102018201555 vorgeschlagenen Kühlung gesucht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Kühlstruktur für CMC-Formteile anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Formkörper aus keramischem Faserverbundwerkstoff „CMC“, der gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept zumindest ein innenliegendes, im Wrap-Aufbau konzipiertes, erstes CMC-Teilelement und zumindest ein außenliegendes, im Stack-Aufbau konzipiertes zweites CMC-Teilelement aufweist, wobei zur Führung eines Kühlmediums erste Hohlräume im ersten CMC-Teilelement und zweite Hohlräume im zweiten CMC-Teilelement vorgesehen sind.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die ersten Hohlräume, die bevorzugt beim Aufbau des CMC-Formkörpers durch Laminieren durch Aussparung erzeugt werden, zur Prallkühlung des CMC-Formkörpers eingesetzt werden. Prallkühlung ist vor allem in Bereichen des CMC-Formkörpers mit geringer Wandstärke vorgesehen.
Die zweiten Hohlräume, die bevorzugt nach dem Laminieren im CMC-Formkörper erzeugt werden, werden zur effektiven Kühlung der Bereiche des CMC-Formkörpers mit großer Wandstärke genutzt.
Insbesondere vorteilhaft ist dabei, wenn der CMC-Formkörper der gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept Hohlräume aufweist derart, dass die ersten Hohlräume durch Aussparungen beim Laminieren eines ersten Wrap-Teilelements und die zweiten Hohlräume durch nachträgliches Erzeugen - beispielsweise Einbohren in das fertige Laminats - im zweiten CMC-Teilelement herstellbar sind. Das nachträgliche Erzeugen kann sowohl im Stadium des Prepreg-Lagen-Laminats als auch beim fertig gesinterten Formkörper erfolgen.
Durch das nachträgliche Erzeugen von Kühlstrukturen im CMC-Formteil kann vor allem im äußeren Bereich des CMC-Formkörpers Kühlmedium sehr nah an der Oberfläche des CMC-Formkörpers, als so genanntes „near wall cooling“ eingesetzt werden. Das ist beispielsweise am „trailing edge“ und/oder am „leading edge“, der Eintrittskante einer Leit- oder Laufschaufel einer Turbine, ein besonderer Vorteil.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und um die Führung des Kühlmediums möglichst definiert zu gestalten, werden beispielsweise Bohrungen im Prepreg-Laminat mit entsprechenden Platzhaltern oder Stabilisatoren versehen. Diese Stabilisatoren können beispielsweise nach erfolgtem Sintern des CMC-Formkörpers wieder entfernt, also gezogen werden oder auch innerhalb des Formkörpers verbleiben.
Durch das Einführen von Stabilisatoren in die nach erfolgtem Laminieren nachträglich erzeugten Kühlstrukturen, wie Bohrungen, kann beispielsweise auch eine Leckage der Kühlstruktur vermieden werden.
Die Platzhalter/Stabilisatoren können beispielsweise schmale Rohre, Röhrchen oder Schläuche sein.
Die Platzhalter/Stabilisatoren können aus Keramik, Metall und/oder einer Metalllegierung sein. Bevorzugt verbleiben diese Platzhalter/Stabilisatoren dann im CMC-Formkörper auch beim Sintern, so dass das Material des Platzhalters/ Stabilisators bevorzugt so gewählt ist, dass die Wärmeausdehnung und Temperaturstabilität mit dem umgebenden CMC-Formteil kompatibel ist.
Die Fixierung der Platzhalter, also beispielsweise der Röhrchen, im CMC-Formkörper oder im CMC-Prepreg-Lagen-Laminat erfolgt nach üblichen Methoden, beispielsweise kann ein Röhrchen mit der CMC-Wand verklebt oder einfach durch Haftreibung fixiert sein.
Als „CMC“-Formkörper wird ein Körper bezeichnet, der ganz oder teilweise aus keramischem Matrixkomposit-Material, international auch Ceramic Matrix Composite, kurz CMC, genannt, ist. Dieses Material umfasst regelmäßig Verstärkungsfasern in einer keramischen Matrix. Das Material wird bevorzugt in Form von CMC-Prepreg-Lagen, die Fasern in getrocknetem Schlicker umfassen, verarbeitet und dann gesintert.
CMC kann beispielsweise Siliziumcarbid-basiert oder Metalloxid-basiert sein. Prominente Vertreter dieser Materialklasse sind das „Ox-Ox-CMC und das SiC-CMC. Bei einem Ox-Ox-CMC liegen beispielswese Aluminiumoxid-Fasern oder entsprechende Faserverbunde vor, die mit einem Aluminiumoxid- und/oder einem Aluminiumoxid-Mullit-Schlicker zur Ausbildung der CMC-Lage getränkt werden. Bei der SiC-basierten CMC-Variante ist das ähnlich, es liegen entsprechende Siliziumcarbid-Fasern vor, die dann in einen Siliziumcarbid-Schlicker, der zur Matrix ausgebrannt wird, eingebettet sind.
Ein „CMC-Formkörper“ umfasst das fertig gesinterte CMC-Lagen-Matrixkomposit. Das „Zwischenprodukt“ umfasst die fertig laminierten aber noch nicht gesinterten Prepreg-CMC-Laminatlagen.
Als „CMC-Lage“ wird dann eine Lage aus dem mit Schlicker überzogenen Faserverbund oder Fasergewebe bezeichnet.
Als „Laminieren“ wird der Prozess bezeichnet, durch den die einzelnen CMC-Lagen aufeinandergestapelt und/oder auf andere Weise verbunden werden. Beim Laminieren sind die CMC-Lagen beispielsweise weder getempert noch gesintert, aber möglicherweise bereits getrocknet, noch nicht getempert und noch nicht gesintert. Zur Ausbildung einer Prepreg-CMC-Lage werden auch die getrockneten CMC-Lagen bevorzugt einer Temperaturbehandlung unterzogen.
Als Zwischenprodukt erhält man vor dem Sintern einen Formkörper aus Prepreg-CMC-Lagen. Die Lagen sind laminiert, so dass das Zwischenprodukt vorliegend auch als Prepreg-CMC-Lagen-Laminat bezeichnet wird.
Als „Kühlsystem“ wird vorliegend die Gesamtheit von ersten und zweiten Hohlräumen, die zur Kühlung des CMC-Formkörpers während des Betriebs im Heißgasstrom eingesetzt werden, bezeichnet. Die betrifft also die bereits bekannte Prallkühlung, die vor allem in Bereichen mit relativ dünner CMC-Wand einsetzbar ist und die Kühlmedium in den ersten Hohlräumen umfasst. Darüber hinaus umfasst das Kühlsystem die hier erstmals beschriebene Kühlstruktur, die durch nachträgliche Bearbeitung des Prepreg-CMC-Laminat-Lagen Formkörpers und/oder des fertig gesinterten CMC-Formkörpers gebildet ist.
Mit „Kühlstruktur“ hingegen wird vorliegend das hier erstmals beschriebene Prinzip aus nachträglich erzeugten zweiten Hohlräumen bezeichnet. „Nachträglich“ heißt hier nach dem Laminieren des Prepreg-CMC-Laminat-Lagen-Formkörpers. Die Kühlstruktur umfasst sowohl einfache Hohlräume innerhalb des CMC-Formkörpers als auch durch Stabilisatoren/Platzhalter versteifte Teile des CMC-Formkörpers.
Die Dimensionen der Bohrungen richten sich nach dem Kühlsystem, also den erforderlichen Mengen an Kühlmedium, die durch die Kanäle der erzeugten Kühlstruktur fließen und/oder auch nach der Stabilität des CMC-Formkörpers an der betroffenen Stelle.
Die Bohrungen können innerhalb eines CMC-Formkörpers gleichen oder verschiedenen Durchmesser aufweisen.
Durch die hier beschriebene Kühlmedienführung ergeben sich folgende Vorteile:

Das Kühlmedium, wie beispielsweise Kühlluft, kann sehr nah an der heißen Oberfläche der CMC-Wand geführt werden und damit wird das sehr effektive Konzept des „near wall cooling“ realisiert.

Die Orientierung der äußeren im Stapel-Aufbaukonzept angeordneten CMC-Lagen verläuft nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Richtung des Wärmestroms und erhöht dadurch vorteilhafterweise die Wärmeleitung von der heißen Oberfläche zu den Röhrchen, die von Kühlmedium durchflossen sind.
Durch den Einsatz der keramischen oder metallischen Röhrchen tritt keine Leckage des Kühlmediums auf.
Das hier erstmals vorgeschlagene Kühlsystem erlaubt die effiziente Kühlung der Austrittskante einer Leit-oder Laufschaufel, zusätzlich zur bekannten Prallkühlung.
Das hier erstmals beschriebene WrapStack-Aufbaukonzept ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit robusten Wärmedämmschichten und/oder Korrosionsschutzschichten wie den so genannten Thermal Barrier Coating-„TBC“-Beschichtungen und/oder mit den so genannten Environmental Barrier-Coating-„EBC“-Beschichtungen kombinierbar.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, näher erläutert:

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leit- oder Laufschaufel einer Turbine, die als CMC-Formkörper 1 gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept, also mit innenliegendem Wrap- und außen umgebenden Stack-CMC-Teilelement, aufgebaut ist. Zu erkennen sind dabei erste Hohlräume 2a, 2b und zweite Hohlräume 3a bis 3x, in denen Kühlmedium geführt wird.

Zu erkennen sind zwei innere WRAP-CMC-Teilelemente 5a und 5b, die von einem äußeren STACK-CMC-Teilelement die CMC-Laminat- Lagen 6a, 6b, 6c, 6d... umfassend, umgeben sind.
An der Austrittskante sind die zweiten Hohlräume 3b bis 3x oberflächennah angeordnet, so dass eine effektive „near wall cooling“- Kühlstruktur erzeugt wird.
In die zweiten Hohlräume 3a bis 3x werden zum Teil oder in alle Stabilisatoren oder Platzhalter, wie die Röhrchen 4 eingeführt. Damit wird dem CMC-Formkörper 1 weitere Stabilität verliehen, die Dimension der Kühlstruktur befestigt und/oder Leckagen der Kühlstruktur an den befestigten Stellen vermieden.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Hohlräume zur Führung des Kühlmediums durch nachträgliches Einbohren erzeugbar. So entstehen die Bohrungen 3a, 3b, 3c.... Diese Bohrungen 3a, 3b, 3c... bis 3x werden durch Röhrchen 4, die in die Bohrungen eingeführt werden, stabilisiert.
Die hier vorgeschlagene Kühlstruktur eignet sich bei CMC-Formteilen vor allem in Bereichen mit großer Wandstärke, wie beispielsweise Rippen oder Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel.
Die Bohrungen 3a bis 3x im äußeren STACK-CMC-Teilelement des Formkörpers, insbesondere in Bereichen mit großer Wandstärke des CMC-Formkörpers 1, werden mit Röhrchen 4 ausgekleidet, welche die Kühlluft führen und Leckage vermeiden.
Durch die Öffnungen 3a bis 3x, egal ob ausgekleidet mit Stabilisatoren 4 oder nicht, strömt Kühlmedium, beispielsweise Kühlluft, zur effektiven Kühlung im Bereich von Rippen und der Austrittskante, auch „trailing edge“ genannt.
In Bereichen des hier gezeigten WrapStack-CMC-Formkörpers 1 mit kleiner Wandstärke, wie beispielsweise am Leading Edge der Leit- oder Laufschaufel, wird über einen oder mehrere erste Hohlräume 2a, 2b.. als Prallkühlung gekühlt.
2 zeigt im Detail die Anordnung der zweiten Hohlräume 3a im Bereich einer Rippe der Lauf- oder Leitschaufel. Wichtig ist dabei, dass die zweiten Hohlräume, also beispielsweise die Kühlluftbohrungen, entsprechend ihrer optimalen thermischen Wirkung positioniert und mit Röhrchen ausgekleidet werden.
Zu erkennen ist wieder der gleiche CMC-Formkörper wie in 1, allerdings nur ein Teilausschnitt am Leading Edge. Gezeigt ist das Stack-CMC-Teilelement mit den Lagen 6e und 6f, sowie das Wrap-CMC-Teilelement 5a und der Hohlraum 2a, der zu den ersten Hohlräumen 2 zählt, die während des Laminierens durch Aussparung gebildet werden. Diese ersten Hohlräume sind bevorzugt in Bereichen des CMC-Formkörpers mit geringer Wandstärke, also beispielsweise am Leading Edge zur Prallkühlung vorgesehen. Zwischen den beiden ersten Hohlräumen 2a und 2b des CMC-Formkörpers 1 befindet sich in der hier gezeigten Ausführungsform eine Rippe 8, die die beiden Hohlräume 2a und 2b voneinander trennt. Im Bereich der Rippe 8 ist Kühlstruktur entsprechend der Erfindung, in dem Fall in Form von zwei Bohrungen, vorgesehen.
Die beiden Bohrungen 3a und 3b sind in 2 unten nochmal im Detail gezeigt. Zu erkennen sind die Öffnungen der Röhrchen 4, die als Platzhalter und/oder Stabilisator in die zweiten Hohlräume 3a, 3b eingeführt sind. Durch gestrichelte Linien ist der Verlauf der zweiten Hohlräume im Inneren des zweiten, im Stack-Aufbaukonzept realisierten CMC-Teilelements zu erkennen.
Durch die Erfindung wird erstmals das Prinzip eines zweikomponentigen Kühlsystems, eine Prallkühlung mit relativ großen, ersten Hohlräumen und eine fein ziselierte zweite Kühlstruktur mit relativ kleinen zweiten Hohlräumen umfassend, offenbart, wobei die Kühlstruktur mit kleineren Hohlräumen vor allem in Bereichen großer Wandstärke des CMC-Formkörpers vorgesehen ist und umgekehrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018201555 [0005, 0007, 0008]

Claims

Formkörper aus keramischem Faserverbundwerkstoff „CMC“, der gemäß dem WrapStack-Aufbaukonzept zumindest ein innenliegendes, im Wrap-Aufbau konzipiertes, erstes CMC-Teilelement und zumindest ein außenliegendes, im Stack-Aufbau konzipiertes zweites CMC-Teilelement aufweist, wobei als Kühlsystem zur Führung eines Kühlmediums erste Hohlräume und zweite Hohlräume vorgesehen sind.
Formkörper nach Anspruch 1, wobei die ersten Hohlräume im Wrap-CMC-Teilelement des Formkörpers vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei die zweiten Hohlräume im Stack-CMC-Teilelement des Formkörpers vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Hohlräume durch Aussparungen beim Laminieren des ersten Wrap-Teilelements ausbildbar sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Hohlräume im zweiten Stack-CMC-Teilelement durch nachträgliches Bearbeiten ausbildbar sind.
Formkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zweiten Hohlräume im zweiten Stack-CMC-Teilelement durch nachträgliches Einbohren herstellbar sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Hohlräume in Bereichen des CMC-Formkörpers mit dünner Wandstärke vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Hohlräume beispielsweise am Leading Edge einer Lauf- oder Leitschaufel einer Turbine vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Hohlräume in Bereichen des CMC-Formkörpers mit großer Wandstärke vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Hohlräume beispielsweise am Trailing Edge einer Lauf-oder Leitschaufel vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den zweiten Hohlräumen zumindest zum Teil Platzhalter und/oder Stabilisatoren vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den zweiten Hohlräumen als Platzhalter und/oder Stabilisatoren Röhrchen vorgesehen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, wobei die Platzhalter und/oder Stabilisatoren aus einem Material sind, dessen thermischer AusdehnungsKoeffizient an den des Prepreg-CMC-Laminat-Lagen-Formkörpers an der Stelle angepasst ist.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das CMC-Material Siliziumcarbid-basiert oder Metalloxidbasiert ist.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das im Kühlsystem eingesetzte Kühlmedium Luft ist.