EP1507957B1 - Kühlbares bauteil und verfahren zur herstellung einer durchtrittsöffnung in einem kühlbarem bauteil - Google Patents

Kühlbares bauteil und verfahren zur herstellung einer durchtrittsöffnung in einem kühlbarem bauteil Download PDF

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EP1507957B1
EP1507957B1 EP03732591A EP03732591A EP1507957B1 EP 1507957 B1 EP1507957 B1 EP 1507957B1 EP 03732591 A EP03732591 A EP 03732591A EP 03732591 A EP03732591 A EP 03732591A EP 1507957 B1 EP1507957 B1 EP 1507957B1
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EP
European Patent Office
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opening
insert
component according
thermally unstable
solder
Prior art date
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EP03732591A
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EP1507957A1 (de
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Jose Ma Anguisola Mcfeat
Werner M. Balbach
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the present invention relates to a coolable Component according to the preamble of claim 1.
  • Sie continues to specify a procedure, a Passage opening for a cooling medium, in one to manufacture inventive component.
  • a well-known cooling method for the cooling of Gas turbine blades is the internal, convective Cooling.
  • this cooling technique as shown in FIG. 1 is shown schematically, cooling air through the Rotor shaft introduced into the blade root and from there in extending within the airfoil cooling channels in which they heat the turbine blade receives.
  • the heated cooling air is finally by suitably arranged holes and Slots blown out of the turbine blade.
  • In Combination with this convective cooling will be in usually the so-called impact cooling as well as the film cooling used.
  • the impact cooling bounces the Cooling air through small through holes on the Inside the wall of the turbine blade while in film cooling via small through holes to the outer surface of the turbine blade passes and forms a thin film of cooling air there.
  • the Cooling air for the cooling of the turbine blade comes in usually from the compressor stage, part of which branched off compressed air and for cooling in the respective components of the turbomachine to be cooled to be led.
  • Adequate and reliable cooling of Components of a turbomachine provides a essential aspect for their operation dar.
  • Modern High temperature gas turbines require to achieve a high efficiency a sophisticated cooling system, in particular for cooling the highly loaded Turbine blades.
  • a turbomachine can cause problems with a blockage of the cooling channels or cooling air holes due to dirt or dust particles, from the atmosphere or from upstream of the cooling channels located components of the turbomachine come can and introduced with the cooling medium in the cooling channels become.
  • a blockage of individual cooling channels or cooling holes can not anymore due to one maintained minimum mass flow of cooling medium to a significant local temperature load to Cooling component lead to their damage.
  • a form of axial cyclone is, for example, DE 198 34 376 A1.
  • the of the compressor stage incoming cooling air is here before entering the first vane of the turbine stage through the axial cyclone directed.
  • the axial cyclone is a swirl generator formed, a vortex in the cooling air generated due to which the slower dust and Dirt particles on the wall of the axial cyclone hit and fall off from there. At the bottom of the cyclone they are deducted via corresponding discharge channels.
  • the object of the present invention is It is to specify a coolable component which the Disadvantages of the prior art is able to avoid and a special embodiment of a passage opening indicate for the cooling medium, the one less susceptibility to such blockage by dust or dirt particles, as well as a for producing such a passage opening in a coolable component suitable manufacturing process.
  • a coolable component according to the invention has a passage opening for a cooling medium, which first in a known manner by a first Opening of a first opening cross-section in one formed a component consisting of a first material is.
  • the core of the invention is in the first opening to arrange an insert which the Opening cross section of the passage bore on a reduced second passage cross-section. It is in general, the second opening cross-section of Setpoint of the opening cross section. Between the insert and the basic material of the component, expediently on the Interface between the insert and the interior of the first opening, it becomes a thermally unstable Connection made when crossing a limit temperature dissolves.
  • the thermally unstable Connection can be made by the material the insert, for example, a Bondcoat- and / or TBC material, directly into the first opening is introduced, and there adheres, with the adhesive force temperature dependent between the two materials varies, and when the limit temperature is exceeded for the safe seat of the insert in the first Opening necessary value falls below.
  • a thermally unstable Material such as an adhesive or a solder, which high temperature softens and the connection does not is able to maintain, for the production of Connection in particular in a joint gap between Use and component to use.
  • the Insert also used with excess in the opening be such that a press fit arises, wherein Instability of the connection in a simple manner by appropriate choice of the thermal Expansion coefficients of the material of the component and the material of the insert is achieved.
  • the thermally unstable exist Connection and / or use of a material that oxidized in the cooling medium and its oxides in the vaporize desired temperature, in particular the oxides formed are oxides from the series chromium oxide, Molybdenum oxide and tungsten oxide are.
  • the thermally unstable compound can also made of a material that is at the desired Temperature exceeds its melting point, where in particular the thermally unstable compound metals from the series Ag, Cu, Au, Al, Zn, Cd, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, and Bi individually or in conjunction with each other contains.
  • thermal unstable connection wood-metal, soft solder, brazing alloy like e.g. Brass solder, nickel silver solder, silver solder, Al-Si solder, B-Cu55ZnAg, or nickel-based solder with silicon alone and / or with boron, or that contains the thermal unstable connection glass solder, especially lead-rich Glass, composite solder with codierite additive, or solder glass, contains.
  • the thermally unstable compound and / or the insert are made of a material that fails because of exceeding the softening temperature, wherein the material is in particular a self-flowing NiCrFeSiB corrosion protection layer is.
  • the thermally unstable connection and / or the insert consist of a material which has a low coefficient of thermal expansion and fails in thermal overload due to the stresses occurring and its brittleness.
  • the material is a ceramic, in particular SiN 4 , or unstabilized or partially stabilized ZrO 2 , or a glass.
  • a suitable method, a passage opening for a cooling medium according to the invention in a To introduce coolable component is, first a first opening with a first opening cross-section into the component, for example, to drill. In a next step, for example, becomes Bondcoat and / or a TBC material so applied, that the opening is substantially closed. Finally, in the introduced for closing Material the flow opening with the second Opening cross section are incorporated.
  • the operation of the invention is now the following:
  • the component is heated by at least one side brought in.
  • the second opening cross section in the use of a Passage opening is sized so that in the normal undisturbed operation a minimum required Coolant mass flow flows through this opening, the is sufficient to the material temperature in the immediate vicinity of the passage below to keep the limit temperature.
  • a blockage of the second opening cross-section through a dust or dirt particles leads to a Reduction of the coolant mass flow under the Minimum required mass. This increases the Temperature at the cooling point and / or the pressure drop over the insert in the passage opening. At the Exceeding the limit temperature becomes the thermal unstable connection solved, so that the use finally together with the clogging particle the passage opening dissolves and this again for the Flow of the cooling medium releases. After this Event remains with the first ⁇ ffungsquer bain a slightly larger opening cross section than the Nominal cross-section, the further cooling of the corresponding However, the location of the component is ensured.
  • TBC materials Thermal Barrier Coating
  • paint test materials As suitable materials for use can used for example in gas turbine technology Bonders, TBC materials (Thermal Barrier Coating) or paint test materials used become. Of course, others, these having temperature-dependent properties Materials that are also specific to this Application can be developed used become.
  • the mechanism used to release the insert The drilling leads to different physical Properties are based. So, for example the melting point of the second one chosen for use Material of the limit temperature correspond.
  • the second Material can reach the limit temperature too so under mechanical tension that it is shatters above this temperature.
  • Essential in This embodiment is in any case that the Connection between the insert and the bore above the limit temperature triggers, so the use along with the clogging particle from the bore is discharged. This is not always a case increased pressure drop at the bore required. It Rather, it can be used in normal operation without constipation sufficient pressure drop on the insert.
  • the Temperature dependence of the second material not absolutely necessary.
  • the adhesion between the insert and the bore so she chooses to go through with a constipation occurring higher pressure difference at the use of the applied pressure no longer withstands, so that the insert releases from the hole.
  • Coolant passages are suitable for Components of turbomachines, in particular as Cooling air outlet openings for film or impingement cooling in turbine blades.
  • Cooling air outlet openings for film or impingement cooling in turbine blades.
  • Fig. 1 shows in two different views schematically the structure of a turbine blade with the cooling channels running in it.
  • the rotor-side inlet 3 for to recognize the cooling medium in the turbine blade.
  • the inflowing cooling air is indicated by the three arrows.
  • the cooling air via corresponding cooling channels 2 to the front and trailing edge of the turbine blade passed to the the cooling air exits through passages, such as this also indicated by the arrows in the figure is.
  • the cooling channel deflection 4 at the Blade tip of the turbine blade 1 is usually a Staubaustragsö réelle 5 is formed over the with the cooling medium entrained particles due to their Inertia escape from the turbine blade.
  • These Dust discharge is designed to prevent the unwanted larger particles are not up to the fine ones Passage openings at the front or rear edge get the turbine blade and there the passages clog.
  • Fig. 1b shows the schematic structure of Turbine blade again in a perspective View. In this view is with the two block arrows again entering the cooling channels 2 Cooling air indicated.
  • the cooling air passes over the passage openings 6 for impingement cooling from the cooling channels from and hits the outside of the shell from the inside Turbine blade to cool it.
  • the cooling air is then over cooling pins, so called cooling pins 7, to the Trailing edge of the turbine blade continued and exit there.
  • the passage openings are still 8 for film cooling the outside to recognize the turbine blade over the likewise a part of the cooling air emerges from the cooling channels 2.
  • Fig. 2 shows schematically the typical structure a passage opening 8 for cooling medium, of the Material of the component to be cooled, here the metal 9 of the airfoil, is surrounded. In the same way this could also be a dust discharge opening act.
  • the passage opening of the present invention has a first opening and a Insert arranged in the first opening with a second opening cross-section, as is apparent from the Schematized representation of FIG. 3 can be seen.
  • a first opening, bore, 10 of the passage opening 8 is bounded by the metal 9 of the airfoil.
  • an insert 11 attached Within the first opening 10 in the airfoil is an insert 11 attached, which consists of an example temperature-dependent filling material is formed.
  • the passage opening 8 corresponds to that in a typical passage existing Opening cross-section, as realized in FIG is.
  • the material of the insert 11 is chosen such that the adhesion between the metal 9 of the airfoil and the material of the insert 11 from a elevated temperature during normal cooling is not reached, but after a blockage Occurs, decreases sharply or disappears completely.
  • the existing pressure difference of the pressure before and behind the passage opening 8 then leads to the discharge the insert together with the contained therein Dust particles 12, so that the passage opening. 8 then again free (Fig. 6).
  • the passage opening 8 has after this release of the insert 11th a larger cross section - according to the first opening 10 - on, the risk of damage the component to be cooled through the blockage however avoided.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kühlbares Bauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie gibt weiterhin ein Verfahren an, eine Durchtrittsöffnung für ein Kühlmedium, in einem erfindungsgemässen Bauteil zu fertigen.
Auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der Gasturbinen in Anlagen zur Energieerzeugung oder in der Luftfahrt, werden zur Steigerung der Leistung zunehmend höhere Turbinen-Eintrittstemperaturen des Heißgases angestrebt und verwirklicht. Diese höheren Temperaturen stellen jedoch ein Problem für die Integrität der hochtemperaturbelasteten Turbinenkomponenten, insbesondere der Turbinenschaufeln, dar. Die Eintrittstemperaturen der ersten Turbinenstufe überschreiten in modernen Gasturbinen bereits den Schmelzpunkt des Schaufelmaterials. Zur Vermeidung von Schäden an den Turbinenschaufeln aufgrund dieser hohen Betriebstemperaturen wird eine Kühlung der Schaufelkomponenten über innerhalb der Schaufel verlaufende Kühlkanäle durchgeführt.
Eine bekannte Kühlungsmethode für die Kühlung von Gasturbinenschaufeln ist die interne, konvektive Kühlung. Bei dieser Kühltechnik, wie sie in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist, wird Kühlluft durch die Rotorwelle in den Schaufelfuß eingeleitet und von dort in innerhalb des Schaufelblattes verlaufenden Kühlkanälen geführt, in denen sie die Wärme der Turbinenschaufel aufnimmt. Die erwärmte Kühlluft wird schließlich durch geeignet angeordnete Bohrungen und Schlitze aus der Turbinenschaufel ausgeblasen. In Kombination mit dieser konvektiven Kühlung werden in der Regel die so genannte Prall-Kühlung sowie die Film-Kühlung eingesetzt. Bei der Prallkühlung prallt die Kühlluft über kleine Durchgangsöffnungen auf die Innenseite der Wandung der Turbinenschaufel, während sie bei der Film-Kühlung über kleine Durchgangsöffnungen an die Außenfläche der Turbinenschaufel gelangt und dort einen dünnen Kühlluft-Film bildet. Die Kühlluft für die Kühlung der Turbinenschaufel stammt in der Regel von der Kompressorstufe, von der ein Teil der komprimierten Luft abgezweigt und zur Kühlung in die jeweiligen zu kühlenden Komponenten der Strömungsmaschine geführt wird.
Eine ausreichende und zuverlässige Kühlung von Komponenten einer Strömungsmaschine stellt einen wesentlichen Aspekt für deren Betrieb dar. Moderne Hochtemperatur-Gasturbinen erfordern zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ein ausgeklügeltes Kühlsystem, insbesondere zur Kühlung der hochbelasteten Turbinenschaufeln. Beim Betrieb eines derartigen Kühlsystems einer Strömungsmaschine können jedoch Probleme bei einer Verstopfung der Kühlkanäle oder Kühlluftbohrungen durch Schmutz- oder Staubpartikel auftreten, die aus der Atmosphäre oder von stromauf der Kühlkanäle gelegenen Komponenten der Strömungsmaschine stammen können und mit dem Kühlmedium in die Kühlkanäle eingebracht werden. Eine Verstopfung einzelner Kühlkanäle oder Kühlluftbohrungen kann aufgrund eines nicht mehr aufrechterhaltenen Mindest-Massenstrom an Kühlmedium zu einer erheblichen lokalen Temperaturbelastung der zu kühlenden Komponente bis zu deren Beschädigung führen.
Stand der Technik
Es gibt zahlreiche Maßnahmen zur Vermeidung der Verstopfung von Kühlluftbohrungen in Strömungsmaschinen. So ist es zur Vermeidung oder Verminderung der Verstopfungsgefahr beispielsweise bekannt, Staubabscheider, wie beispielsweise Zyklone, innerhalb des Kühlkreislaufs anzuordnen, die Schmutz- oder Staubpartikel vom Kühlmedium trennen. In diesen Staubabscheidern werden Wirbel im Kühlmedium erzeugt, durch die die Staub- und Schmutzpartikel aufgrund ihrer Trägheit vom Kühlmedium abgetrennt und über eine gesonderte Staubaustragsöffnung aus dem Kühlmedium entfernt werden.
Der Einsatz eines derartigen Staubabscheiders in Form eines Axialzyklons ist beispielsweise der DE 198 34 376 A1 zu entnehmen. Die von der Kompressorstufe kommende Kühlluft wird hierbei vor dem Eintritt in die erste Leitschaufel der Turbinenstufe durch den Axialzyklon geleitet. In dem Axialzyklon ist ein Drallerzeuger ausgebildet, der einen Wirbel in der Kühlluft erzeugt, aufgrund dessen die trägeren Staub- und Schmutzpartikel auf die Wandung des Axialzyklons auftreffen und von dort abfallen. Am Boden des Zyklons werden sie über entsprechende Austragkanäle abgezogen.
Bei einer weiteren Technik, die zum Teil in Kombination mit Staubabscheidern eingesetzt wird, sind in den Kühlkanälen innerhalb der Turbinenschaufel spezielle Staubaustragsöffnungen vorgesehen, aus denen größere Staub- oder Schmutzpartikel aufgrund ihrer Trägheit austreten. Ein Beispiel für die Anordnung derartiger Staubaustragsöffnungen in den Kühlkanälen ist beispielsweise der US-A-4820122 zu entnehmen.
Trotz der bisher realisierten Maßnahmen kann jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass Staub- oder Schmutzpartikel in die Kühlkanäle des zu kühlenden Bauteils bis zu den engen Durchtrittsöffnungen für das Kühlmedium gelangen und diese Durchtrittsöffnungen verstopfen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kühlbares Bauteil anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden vermag, und eine spezielle Ausgestaltung einer Durchtrittsöffnung für das Kühlmedium anzugeben, die eine geringere Anfälligkeit für eine derartige Verstopfung durch Staub- oder Schmutzpartikel aufweist, sowie ein zur Herstellung einer solchen Durchtrittsöffnung in einem kühlbaren Bauteil geeignetes Fertigungsverfahren.
Die Aufgabe wird mit der Durchtrittsöffnung gemäß Patentanspruch 1 sowie mit dem Verfahren zur Fertigung einer Durchtrittsöffnung gemäß Patentanspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Durchtrittsöffnung sowie des Fertigungsverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Ein kühlbares Bauteil gemäss der Erfindung weist eine Durchtrittsöffnung für ein Kühlmedium auf, welche zunächst auf an sich bekannte Weise durch eine erste Öffnung eines ersten Öffnungsquerschnitts in einer aus einem ersten Material bestehenden Komponente gebildet ist. Kern der Erfindung ist es, in der ersten Öffnung einen Einsatz anzuordnen, welcher den Öffnungsquerschnitt der Durchtrittsbohrung auf einen zweiten Durchtrittsquerschnitt verkleinert. Dabei ist im allgemeinen der zweite Öffnungsquerschnitt der Sollwert des Öffnungsquerschnitts. Zwischen dem Einsatz und dem Grundmaterial des Bauteils, zweckmässig an der Grenzfläche zwischen dem Einsatz und dem Inneren der ersten Öffnung, wird dabei eine thermisch instabile Verbindung hergestellt, die sich beim Überschreiten einer Grenztemperatur löst. Die thermisch instabile Verbindung kann hergestellt sein, indem das Material des Einsatzes, beispielsweise ein Bondcoat- und/oder TBC-Material, unmittelbar in die erste Öffnung eingebracht ist, und dort anhaftet, wobei die Haftkraft zwischen den beiden Materialien temperaturabhängig variiert, und beim Überschreiten der Grenztemperatur den für den sicheren Sitz des Einsatzes in der ersten Öffnung notwendigen Wert unterschreitet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein thermisch instabiles Material, etwa einen Klebstoff oder ein Lot, das bei hoher Temperatur weich wird und die Verbindung nicht aufrechtzuerhalten vermag, zur Herstellung der Verbindung insbesondere in einem Fügespalt zwischen Einsatz und Bauteil zu verwenden. Weiterhin könnte der Einsatz auch mit Übermass in die Öffnung eingesetzt sein, dergestalt, dass ein Presssitz entsteht, wobei eine Instabilität der Verbindung auf einfache Weise durch entsprechende Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Bauteils und des Materials des Einsatzes erzielt wird.
Bevorzugt bestehen die thermisch instabile Verbindung und/oder den Einsatz aus einem Material, das im Kühlmedium oxidiert und dessen Oxide bei der gewünschten Temperatur verdampfen, wobei insbesondere die gebildeten Oxide Oxide aus der Reihe Chromoxid, Molybdänoxid und Wolframoxid sind.
Die thermisch instabile Verbindung kann aber auch aus einem Material besteht, das bei der gewünschten Temperatur seinen Schmelzpunkt überschreitet, wobei insbesondere die thermisch instabile Verbindung Metalle aus der Reihe Ag, Cu, Au, Al, Zn, Cd, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, und Bi einzeln oder in Verbindung miteinander enthält.
Weiterhin ist es denkbar, dass die thermisch instabile Verbindung Wood-Metall, Weichlot, Hartlot wie z.B. Messinglot, Neusilberlot, Silberlot, Al-Si-Lot, B-Cu55ZnAg, oder Nickelbasislot mit Silizium allein und/oder mit Bor, enthält, oder dass die thermisch instabile Verbindung Glaslot, insbesondere bleireiches Glas, Compositlot mit Codierit-Zusatz, oder Lötglas, enthält.
Es ist aber auch denkbar, dass die thermisch instabile Verbindung und/oder den Einsatz aus einem Material bestehen, das wegen der Überschreitung seiner Zeitstandsfestigkeit versagt, wobei das Material insbesondere ein Ag-Cu-Zn-Lot oder ein austenitischer Stahl ist.
Ebenso kann die thermisch instabile Verbindung und/oder der Einsatz aus einem Material bestehen, das wegen Überschreitung der Erweichungstemperatur versagt, wobei das Material insbesondere eine selbstfliessende NiCrFeSiB-Korrosionsschutzschicht ist.
Schliesslich ist es denkbar, dass die thermisch instabile Verbindung und/oder der Einsatz aus einem Material bestehen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und bei thermischer Überlastung aufgrund der auftretenden Spannungen und seiner Sprödigkeit versagt. Vorzugsweise ist dabei das Material eine Keramik, insbesondere SiN4, oder unstabilisiertes oder teilstabilisiertes ZrO2, oder ein Glas.
Ein geeignetes Verfahren, eine Durchtrittsöffnung für ein Kühlmedium gemäss der Erfindung in ein kühlbares Bauteil einzubringen besteht darin, zunächst eine erste Öffnung mit einem ersten Öffnungsquerschnitt in das Bauteil einzubringen, zum Beispiel zu bohren. In einem nächsten Schritt wird beispielsweise ein Bondcoat- und/oder ein TBC-Material so aufgebracht, dass die Öffnung im Wesentlichen verschlossen ist. Schliesslich kann in das zum Verschliessen eingebrachte Material die Durchflussöffnung mit dem zweiten Öffnungsquerschnitt eingearbeitet werden.
Die Funktionsweise der Erfindung ist nun folgende: In das Bauteil wird von wenigstens einer Seite Wärme eingebracht. Durch Kühlmittel-Durchtrittsöffnungen ausströmendes Kühlmedium nimmt Wärme aus dem Bauteil auf. Der zweite Öffnungsquerschnitt im Einsatz einer Durchtrittsöffnung ist so bemessen, dass im normalen ungestörten Betrieb ein mindesterforderlicher Kühlmittel-Massenstrom durch diese Öffnung strömt, der ausreicht, um die Materialtemperatur in der unmittelbaren Umgebung der Durchtrittsöffnung unterhalb der Grenztemperatur zu halten.
Eine Verstopfung des zweiten Öffnungsquerschnittes durch ein Staub- oder Schmutzpartikel führt zu einer Verminderung des Kühlmittel-Massenstroms unter das mindesterforderliche Mass. Dadurch steigen die Temperatur an der Kühlstelle und/oder der Druckabfall über den Einsatz in der Durchtrittsöffnung an. Beim Überschreiten der Grenztemperatur wird die thermisch instabile Verbindung gelöst, so, dass sich der Einsatz schließlich zusammen mit dem verstopfenden Partikel aus der Durchtrittsöffnung löst und diese wieder für den Durchfluss des Kühlmediums freigibt. Nach diesem Ereignis verbleibt zwar mit dem ersten Öffungsquerschnitt ein etwas größerer Öffnungsquerschnitt als der Sollquerschnitt, die weitere Kühlung der entsprechenden Stelle der Komponente ist jedoch sichergestellt.
Als geeignete Materialien für den Einsatz können beispielsweise in der Gasturbinentechnik eingesetzte Abbinder (Bondcoat), TBC-Materialien (Thermal Barrier Coating) oder auch Painttest-Materialien eingesetzt werden. Selbstverständlich können auch andere, diese temperaturabhängigen Eigenschaften aufweisende Materialien, die auch speziell für diesen Anwendungszweck entwickelt werden können, eingesetzt werden.
Der Mechanismus, der zum Lösen des Einsatzes aus der Bohrung führt, kann auf unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften beruhen. So kann beispielsweise der Schmelzpunkt des für den Einsatz gewählten zweiten Materials der Grenztemperatur entsprechen. Das zweite Material kann bei Erreichen der Grenztemperatur auch derart unter mechanischer Spannung stehen, dass es oberhalb dieser Temperatur zerspringt. Wesentlich bei dieser Ausführungsform ist in jedem Fall, dass sich die Verbindung zwischen dem Einsatz und der Bohrung oberhalb der Grenztemperatur löst, so dass der Einsatz zusammen mit dem verstopfenden Partikel aus der Bohrung ausgetragen wird. Hierbei ist nicht in jedem Falle ein erhöhter Druckabfall an der Bohrung erforderlich. Es kann vielmehr der im normalen Betrieb ohne Verstopfung auftretende Druckabfall am Einsatz ausreichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Temperaturabhängigkeit des zweiten Materials nicht unbedingt erforderlich. Bei dieser Ausführungsform wird die Haftung zwischen dem Einsatz und der Bohrung derart gewählt, dass sie durch die bei einer Verstopfung auftretende höhere Druckdifferenz am Einsatz dem anliegenden Druck nicht mehr standhält, so dass sich der Einsatz aus der Bohrung löst.
Die erfindungsgemässe Ausgestaltung von Kühlmittel-Durchtrittsöffnungen eignet sich für Komponenten von Strömungsmaschinen, insbesondere als Kühlluft-Austrittsöffnungen für Film- oder Prallkühlung in Turbinenschaufeln. Selbstverständlich lässt sich eine derartig ausgestaltete Durchtrittsöffnung auch in anderen Bereichen einsetzen, bei denen eine Verstopfung der Durchlassöffnungen unerwünschte Folgen haben kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1
ein Beispiel für den Verlauf von Kühlkanälen in einer Turbinenschaufel in zwei unterschiedlichen Ansichten;
Fig. 2
ein Beispiel für die übliche Ausgestaltung einer Durchtrittsöffnung in einer zu kühlenden Komponente;
Fig. 3
ein Beispiel für die Ausgestaltung einer Durchtrittsöffnung in einer zu kühlenden Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4
der Zustand der Verstopfung einer Durchtrittsöffnung gemäß Fig. 3;
Fig. 5
der Zustand der Durchtrittsöffnung gemäß Fig. 4 nach kurzer Zeit; und
Fig. 6
der Zustand der Durchtrittsöffnung gemäß Fig. 4 nach dem Lösen des Einsatzes.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Fig. 1 zeigt in zwei unterschiedlichen Ansichten schematisch den Aufbau einer Turbinenschaufel mit den darin verlaufenden Kühlkanälen. In der Schnittansicht der Fig. la ist der rotorseitige Einlass 3 für das Kühlmedium in die Turbinenschaufel zu erkennen. Die einströmende Kühlluft ist mit den drei Pfeilen angedeutet. Innerhalb der Turbinenschaufel 1 wird die Kühlluft über entsprechende Kühlkanäle 2 bis an die Vorder- und Hinterkante der Turbinenschaufel geleitet, an der die Kühlluft über Durchtrittsöffnungen austritt, wie dies ebenfalls mit den Pfeilen in der Figur angedeutet ist. Im Bereich der Kühlkanalumlenkung 4 an der Schaufelspitze der Turbinenschaufel 1 ist in der Regel eine Staubaustragsöffnung 5 ausgebildet, über die mit dem Kühlmedium mitgeführte Partikel aufgrund ihrer Trägheit aus der Turbinenschaufel austreten. Diese Staubaustragsöffnung soll verhindern, dass die unerwünschten größeren Partikel nicht bis zu den feinen Durchtrittsöffnungen an der Vorder- oder Hinterkante der Turbinenschaufel gelangen und dort die Durchtrittsöffnungen verstopfen.
Fig. 1b zeigt den schematischen Aufbau der Turbinenschaufel nochmals in einer perspektivischen Ansicht. In dieser Ansicht ist mit den beiden Blockpfeilen wiederum die in die Kühlkanäle 2 eintretende Kühlluft angedeutet. Die Kühlluft tritt über die Durchtrittsöffnungen 6 für Prallkühlung aus den Kühlkanälen aus und trifft von innen auf die Außenschale der Turbinenschaufel, um diese zu kühlen. Die Kühlluft wird dann über Kühlstifte, so genannte Kühlpins 7, bis zur Hinterkante der Turbinenschaufel weitergeführt und tritt dort aus. In der Figur sind weiterhin die Durchtrittsöffnungen 8 für die Film-Kühlung der Außenseite der Turbinenschaufel zu erkennen, über die ebenfalls ein Teil der Kühlluft aus den Kühlkanälen 2 austritt.
Aufgrund des sehr kleinen Öffnungsquerschnitts der Durchtrittsöffnungen 6, 8 für die Prall-Kühlung bzw. die Film-Kühlung besteht die Gefahr der Verstopfung dieser Durchtrittsöffnungen durch Staub- oder Schmutzpartikel, die mit dem Kühlmedium, in der Regel der Kühlluft, mitgeführt werden. Trotz vorgeschalteter Staubabscheider sowie im Kühlkanal 2 innerhalb der Turbinenschaufel 1 angeordneter Staubaustragsöffnungen 5 lässt sich die Gefahr einer Verstopfung nicht vollständig ausschließen. Tritt eine derartige Verstopfung auf, so kommt es jedoch an der entsprechenden Kühlstelle zu einer erheblichen Temperaturbelastung, die bis zu einer Beschädigung der entsprechenden Komponente führen kann.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Durchtrittsöffnungen lässt sich die Gefahr einer Beschädigung der zu kühlenden Komponente bei einer Verstopfung der Durchtrittsöffnungen deutlich reduzieren.
Fig. 2 zeigt schematisch den typischen Aufbau einer Durchtrittsöffnung 8 für Kühlmedium, die von dem Material der zu kühlenden Komponente, hier vom Metall 9 des Schaufelblattes, umgeben ist. In gleicher Weise könnte es sich hierbei auch um eine Staubaustragsöffnung handeln.
Die Durchtrittsöffnung der vorliegenden Erfindung weist demgegenüber eine erste Öffnung auf sowie einen in der ersten Öffnung angeordneten Einsatz mit einem zweiten Öffnungsquerschnitt, wie dies aus der schematisierten Darstellung der Fig. 3 zu erkennen ist. Eine erste Öffnung, Bohrung, 10 der Durchtrittsöffnung 8 ist von dem Metall 9 des Schaufelblattes begrenzt. Innerhalb der ersten Öffnung 10 im Schaufelblatt ist ein Einsatz 11 befestigt, der aus einem beispielsweise temperaturabhängigen Füllmaterial gebildet ist. Der durch diesen Einsatz verkleinerte Öffnungsquerschnitt der Durchtrittsöffnung 8 entspricht dem in einer typischen Durchtrittsöffnung vorhandenen Öffnungsquerschnitt, wie er in der Fig. 2 realisiert ist.
Tritt nun während des Betriebes eine Verstopfung dieser Durchtrittsöffnung 8 mit einem Staubpartikel 12 auf, wie dies schematisch in der Fig. 4 dargestellt ist, so wird die Film-Kühlung an dieser Stelle unterbrochen, so dass die Turbinenschaufel 1 in der Umgebung der Durchtrittsöffnung 8 stärker erwärmt wird. Dadurch wird die Temperatur an der Übergangsstelle zwischen dem Einsatz 11 und dem Metall 9 des Schaufelblattes ebenfalls erhöht. Bei Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur löst sich dann der Einsatz 11 aus der Bohrung 10, wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist, da die Verbindung zwischen Einsatz und Komponente thermisch instabil wird.
Das Material des Einsatzes 11 ist derart gewählt, dass die Haftung zwischen dem Metall 9 des Schaufelblattes und dem Material des Einsatzes 11 ab einer erhöhten Temperatur, die während einer normalen Kühlung nicht erreicht wird, jedoch nach einer Verstopfung auftritt, stark nachlässt oder vollständig verschwindet. Die vorhandene Druckdifferenz des Druckes vor und hinter der Durchtrittsöffnung 8 führt dann zum Austrag des Einsatzes zusammen mit dem darin enthaltenen Staubpartikel 12, so dass die Durchlassöffnung 8 anschließend wieder frei ist (Fig. 6). Die Durchtrittsöffnung 8 weist zwar nach diesem Lösen des Einsatzes 11 einen größeren Querschnitt - entsprechend dem der ersten Öffnung 10 - auf, die Gefahr einer Beschädigung der zu kühlenden Komponente durch die Verstopfung wird jedoch dadurch vermieden.
Als thermisch instabile Materialien für die Verbindung zwischen dem Einsatz 11 und dem Metall 9 des Schaufelblattes bzw. für den Einsatz 11 selbst kommen insbesondere in Frage:
  • Materialien die im Kühlmedium (abhängig von der Temperatur) oxidieren und deren Oxide bei einer bestimmten Temperatur verdampfen, wie Chromoxid oberhalb 900°C, Molybdänoxid und Wolframoxid oberhalb 600°C. Diese Materialien können sowohl für die Verbindung oder auch für den Einsatz selbst eingesetzt werden.
  • Materialien die ihren Schmelzpunkt überschreiten (als reine Elemente oder als Verbindungen), wie Silber welches bei 960°C schmilzt, Kupfer, welches bei 1083°C schmilzt oder Gold, welches bei 1063°C schmilzt, oder bei Bedarf auch Al, Zn, Cd, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, und Bi, welche im reinen Zustand den Bereich von 660°C bis hinunter zu 156°C abdecken, welche aber auch in Verbindung untereinander und mit anderen Elementen beinahe auf jeden beliebigen Schmelzpunkt einzustellen sind (Wood-Metall60°C bis zu den Weichloten mit TA<450°C und den Hartloten mit TA>450°C (Messinglote, Neusilberlote, Silberlote, Al-Si-Lote, welche den Bereich bis über 800°C abdecken, B-Cu55ZnAg mit T A=830°C). Nickelbasislote mit Silizium allein und/oder mit Bor, wobei sich deren Schmelzpunkte durch Diffusion unter dem Einfluss von Temperatur und Zeit und Materialien noch verändern (erhöhen) decken den Temperaturbereich bis 1200°C ab. Kommt es unmittelbar beim Einbau der Schaufel zu erhöhter Temperaturbelastung, so wird die Verbindung bei der Arbeitstemperatur des Lotes versagen und die Kühlmenge wird erhöht, kommt es verzögert zu erhöhter Temperatur, so versagt die Verbindung erst bei höherer Temperatur verglichen mit der Löttemperatur. Ist die Abdiffusion von Elementen unerwünscht, so kann z.B. statt der Bor-Variante auch eine Silizium-Variante mit verringerter Diffusion ausgewichen werden. Soll der Schmelzpunkt des Lotes langfristig tiefgehalten werden, so ist für Hochtemperaturlote mit Diffusionssperren zu arbeiten. Glaslote, z.B. bleireiche Gläser mit 400 bis 500°C Löttemperatur, Compositlote u.a. mit Codierit-Zusatz und Lötgläser können je nach Bedarf ebenfalls eingesetzt werden.
  • Materialien die wegen Überschreitung ihrer Zeitstandfestigkeit versagen, wie z.B. Silber-Kupfer-Zink-Lote oberhalb 300°C, oder austenitische Stähle oberhalb 600°C.
  • Materialien die Versagen wegen Überschreitung ihrer Erweichungstemperatur c wie z.B. bei selbstfliessenden NiCrFeSiB Korrosionsschutzschichten, aus welchen die Einsätze hergestellt werden können.
  • Materialien mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche bei thermischer Überlastung aufgrund der auftretenden Spannungen und ihrer Sprödigkeit versagen wie Keramiken (SiN4, ZrO2 unstabilisiert oder teilstabilisiert, Gläser).
Die obige Aufzählung ist beispielhaft gedacht und nicht abschliessend.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Turbinenschaufel
2
Kühlkanäle
3
Rotorseitiger Einlass
4
Kühlkanalumlenkung
5
Staubaustragsöffnung
6
Durchtrittsöffnungen für Prall-Kühlung
7
Kühlpins
8
Durchtrittsöffnungen, insbesondere für Film-Kühlung
9
Metall des Schaufelblattes
10
Bohrung der Durchtrittsöffnung, erste Öffnung
11
Einsatz
12
Staubpartikel

Claims (22)

  1. Kühlbares Bauteil, insbesondere für eine Strömungsmaschine, mit einer Durchtrittsöffnung für ein Kühlmedium, die durch eine erste Öffnung (10) eines ersten Öffnungsquerschnitts in dem Bauteil (1) gebildet ist, in welcher ersten Öffnung (10) ein Einsatz (11) angeordnet ist, der den ersten Öffnungsquerschnitt auf einen zweiten Öffnungsquerschnitt verkleinert, wobei eine Verbindung an der Grenzfläche zwischen dem Bohrungsinneren und dem Einsatz (11) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine thermisch instabile Verbindung ist, die sich beim Überschreiten einer Grenztemperatur löst.
  2. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung unmittelbar durch die Haftung des Einsatzes(11) in der ersten Öffnung (10)hergestellt ist.
  3. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung unmittelbar durch ein thermisch instabiles Material, insbesondere einen Klebstoff oder ein Lot hergestellt ist.
  4. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch instabile Material, als Schicht zwischen dem Einsatz (11) und dem Bauteil angeordnet ist.
  5. Kühlbares Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Öffnungsquerschnitt so bemessen ist, um einen Mindest-Massenstrom des Kühlmediums durch den zweiten Öffnungsquerschnitt hindurch zu gewährleisten.
  6. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung so gewählt ist, dass die Grenztemperatur auf einem Wert liegt, der bei Aufrechterhaltung des Mindest-Massenstroms nicht erreicht wird, und, dass bei Unterschreitung des Mindestmassenstroms die Grenztemperatur erhöht wird, derart, dass bei Unterschreitung des Mindest-Massenstroms die Verbindung instabil wird und der Einsatz (11) sich aus der Durchtrittsöffnung löst, und so den ersten, grösseren, Öffnungsquerschnitt freigibt.
  7. Kühlbares Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (11) aus einem ein Bondcoat- und/oder TBC-Material besteht.
  8. Kühlbares Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung und/oder den Einsatz (11) aus einem Material bestehen, das im Kühlmedium oxidiert und dessen Oxide bei der gewünschten Temperatur verdampfen.
  9. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Oxide Oxide aus der Reihe Chromoxid, Molybdänoxid und Wolframoxid sind.
  10. Kühlbares Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung aus einem Material besteht, das bei der gewünschten Temperatur seinen Schmelzpunkt überschreitet.
  11. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung Metalle aus der Reihe Ag, Cu, Au, Al, Zn, Cd, In, Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, und Bi einzeln oder in Verbindung miteinander enthält.
  12. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung Wood-Metall, Weichlot, Hartlot wie z.B. Messinglot, Neusilberlot, Silberlot, Al-Si-Lot, B-Cu55ZnAg, oder Nickelbasislot mit Silizium allein und/oder mit Bor, enthält.
  13. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung Glaslot, insbesondere bleireiches Glas, Compositlot mit Codierit-Zusatz, oder Lötglas, enthält.
  14. Kühlbares Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung und/oder den Einsatz (11) aus einem Material bestehen, das wegen der Überschreitung seiner Zeitstandsfestigkeit versagt.
  15. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Ag-Cu-Zn-Lot oder ein austenitischer Stahl ist.
  16. Kühlbares Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung und/oder den Einsatz (11) aus einem Material bestehen, das wegen Überschreitung der Erweichungstemperatur versagt.
  17. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine selbstfliessende NiCrFeSiB-Korrosionsschutzschicht ist.
  18. Kühlbares Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch instabile Verbindung und/oder den Einsatz (11) aus einem Material bestehen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und bei thermischer Überlastung aufgrund der auftretenden Spannungen und seiner Sprödigkeit versagt.
  19. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Keramik, insbesondere SiN4, oder unstabilisiertes oder teilstabilisiertes ZrO2, oder ein Glas ist.
  20. Verfahren zur Fertigung einer Durchtrittsöffnung für einen vorgebbaren Durchfluss eines Kühlmediums in einem Bauteil gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine erste Öffnung (10) mit einem ersten Öffnungsquerschnitt in die Komponente (1) eingebracht wird,
    gekennzeichnet durch die Schritte,
    Einbringen der ersten Öffnung, mit einem ersten Öffnungsquerschnitt, der größer ist als für den vorgebbaren Durchfluss des Kühlmediums erforderlich; Einbringen eines Einsatzes (11) in die erste Öffnung (10); Herstellen der Verbindung zwischen dem Einsatz und dem Bauteil.
  21. Verfahren nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen des Einsatzes (11) die erste Öffnung (10) vollständig verschlossen wird, und, dass anschießend eine Öffnung mit dem zweiten Öffnungsquerschnitt in dem zum Verschlissen eingebrachten Material hergestellt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, gekennzeichnet durch den weiteren
    Verfahrensschritt,
    dass vor Einbringen des Einsatzes (11) in thermisch instabiles Material auf die Aussenfläche des Einsatzes und/oder auf die Innenfläche der ersten Öffnung aufgebracht wird.
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