WO2000053896A1 - Turbinenschaufel und verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel - Google Patents

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Ralf Kannefass
Markus Tacke
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Definitions

  • the invention relates to a turbine blade of a turbine, in particular a gas or steam turbine.
  • the turbine blade extends along a major axis from a root area over an airfoil area to a head area.
  • the invention further relates to a method for producing a turbine blade and a turbine system, in particular a gas turbine system.
  • the efficiency of a gas turbine system is largely determined by the turbine inlet temperature of the working medium, which is expanded in the gas turbine. Therefore, the highest possible temperatures are aimed for.
  • the turbine blades are subjected to high thermal loads due to the high temperatures and to high mechanical loads due to the high flow rate of the working medium or hot gas.
  • blades made by casting are used for the turbine blades. It is an investment casting - partially solidified in a directed manner or drawn as a single crystal.
  • a device and a method for producing castings, in particular gas turbine blades, with a directionally solidified structure is described in DE-AS 22 42 111.
  • the turbine blade is cast as a solid material blade, predominantly from nickel alloys in a single-crystal form.
  • a cooled gas turbine blade is known from US Pat. No. 5,419,039.
  • the turbine blade disclosed therein is also designed as a casting or is composed of two castings.
  • the turbine blades are usually operated at temperatures close to the maximum permissible temperature for the material of the turbine blade, the so-called load limit.
  • the turbine inlet temperature is structure of gas turbines is approx. 1500 to 1600 K due to the temperature limits of the materials used for the turbine blade, cooling of the blade surfaces usually already being carried out.
  • An increase in the turbine inlet temperature requires a larger amount of cooling air, as a result of which the efficiency of the gas turbine and thus also that of an overall system, in particular a gas and steam turbine system, is impaired. This is due to the fact that the cooling air is usually taken from a compressor upstream of the gas turbine. This compressed cooling air is therefore no longer available for combustion and for work.
  • a gap is required, which leads to so-called gap losses, especially in the part-load range of the gas turbine.
  • the object of the invention is therefore to specify a turbine blade which has particularly favorable properties with regard to high mechanical resistance and temperature resistance. Another object is to provide a method for manufacturing a turbine blade.
  • a turbine blade which extends along a main axis from a foot area via a blade area which can be subjected to hot gas and to a head area and is essentially formed from carbon fiber-reinforced carbon, at least the blade area having a blade outer wall with carbon fiber reinforced carbon, which is surrounded by a protective layer is.
  • the use of carbon fiber-reinforced carbon as the material for the turbine blade has a particularly high thermal and mechanical stability.
  • higher turbine inlet temperatures up to 2800 K are possible compared to conventional single-crystalline turbine blades.
  • It is also preferred for large wall Differences between the airfoil area and the solid foot area or at the foot area or at the head area in all blade areas have the same material structure and thus essentially the same physical properties.
  • the protective layer is provided, which at least surrounds the outer wall of the blade that is subjected to hot gas during operation of the turbine system.
  • a ceramic layer is expediently provided as the protective layer.
  • a layer of silicon carbide is particularly suitable for the ceramic layer, which is designed as a pure surface layer. The use of silicon carbide causes the surface of the turbine blade to be sealed with a thin layer of silicon carbide by reaction of the silicon with the carbon, and is therefore very effectively protected. Silicon carbide is particularly suitable because of its particularly antioxidant property as a protective layer for the turbine blade made of carbon fiber reinforced carbon.
  • the ceramic layer expediently has a minimum value in its layer thickness of between approximately 0.5 and 5 mm.
  • the ceramic layer can also be designed as a multilayer layer.
  • the protective layer is alternatively or additionally provided by a gaseous protective film which is formed by an inert gas. It is advantageous at least in the airfoil area a supply for the protective gas is provided, which is surrounded by the inner wall of the blade. The cavity formed by the inner wall of the blade enables the protective gas to be supplied particularly easily.
  • the protective gas To prevent oxidation of the carbon fiber reinforced carbon, i.e. of the base material of the turbine blade, natural gas, water vapor or inert gas is advantageously provided as the protective gas.
  • natural gas, water vapor or inert gas is advantageously provided as the protective gas.
  • exhaust gas, nitrogen or an inert gas are used as the inert gas. Due to the use of the protective gas, a particularly uniform distribution on the blade surface is ensured in a gas dynamic manner. The particularly good flow properties of the protective gas thus enable the formation of a closed, area-covering protective film on the blade surface.
  • the turbine blade is preferably designed with two shells at least in the area of the blade leaf.
  • the wall of the turbine blade can be double-walled - with an inner blade wall that surrounds the feed and an outer wall of the blade extending along the inner wall of the blade.
  • a plurality of cavities are expediently formed between the outer wall of the blade and the inner wall of the blade, each of which is fluidically connected to the feed via at least one associated inlet.
  • a plurality of spacers are arranged like a grid to form the cavities.
  • the spacers are expediently made of carbon fiber-reinforced carbon. The grid-like arrangement of the spacers enables a particularly effective flow of the protective gas in the cavities over a long distance.
  • a plurality of outlets are preferably provided in the outer wall of the blade, which discharge the protective gas from each cavity lead outside.
  • the inlets and outlets are selected with regard to the number and size such that the protective gas flows around the outer wall of the blade.
  • the shielding gas is therefore passed through the turbine blade in an open protection circuit.
  • Shielding gas flows out of the cavities to the outer wall of the blade and forms a protective film on the surface of the outer wall of the blade that can be exposed to hot gas (comparable to the so-called film cooling).
  • the outlets and the inlets are preferably as one
  • Bore or multiple bores can be expanded, for example, in a funnel shape. Such an acute angle particularly favors the formation of a film on the surface of the blade outer wall.
  • Such a double-walled structure enables the functional properties of the wall structure to be decoupled, with less demands being placed on the mechanical stability on the outer wall of the blade than on the inner wall of the blade.
  • the blade inner wall can therefore, since it is not directly exposed to a hot gas flow, be designed with a greater wall thickness than the blade outer wall and can essentially assume the mechanical supporting function for the turbine blade.
  • the cross section of the cavity area between the outer wall of the blade and the inner wall of the blade is preferably made as small as possible to form a high speed of the protective gas and is in particular in the region of the wall thickness of the outer wall of the blade.
  • a particularly good protective film property is achieved due to a small cross-section of the cavity through which the protective gas flows, and a high speed formed therewith, in particular also an efficient heat dissipation by the protective gas.
  • the turbine blade is preferably designed as a rotor blade or guide blade of a turbine, in particular a gas or steam turbine, in the temperature of well over 1000 ° C. of hot gas flowing around the turbine blade during operation.
  • the airfoil area of the turbine blade expediently has a height between 5 cm and 50 cm.
  • the wall thickness of the blade outer wall and / or the blade inner wall preferably has a minimum value between 0.5 mm and 5 mm.
  • the object is directed to a method for producing a turbine blade, which extends along a main axis from a root area over a blade area to a head area
  • a plurality of carbon fibers are processed in such a way that the carbon fibers have the shape of the Form a turbine blade, with synthetic resin being arranged between the carbon fibers, which, when heated with an airtight seal, is transferred into a matrix of pure carbon surrounding the carbon fibers.
  • a turbine blade with sufficient thermal and mechanical strength properties can be produced, which has an essentially identical material structure in both a solid and thin-walled area.
  • the process parameters of the process - e.g. the winding and gluing when processing the carbon fibers, the temperature and duration of the heating process and the type of synthetic resin used, etc. - are adapted to the size and the desired strength properties of the turbine blade.
  • FIG. 1 shows a longitudinal view of a turbine blade
  • FIG. 2 shows a turbine blade with a protective layer in cross section
  • 3 shows a turbine blade with at least one cavity in cross section
  • FIG. 4 shows a section of the turbine blade according to FIG. 2 with a cavity and spacers
  • FIG. 5 shows a section of a top view of the turbine blade
  • FIG. 6 schematically shows a turbine system.
  • the turbine blade 1 shows a turbine blade 1, in particular a rotor blade of a stationary gas turbine, which extends from a root area 4 over a blade area 6 to a head area 8 along a main axis 2.
  • the blade area 6 has an outer wall 10, an inflow area 12 and an outflow area 14.
  • a hot working medium 16 (“hot gas”) flows through the gas turbine (not shown in any more detail), which flows against the turbine blade 1 into the inflow area 12 and flows past the outer wall 10 of the blade up to the outflow area 14.
  • the turbine blade 1 is formed from carbon fiber reinforced carbon. This material is a so-called fiber composite material, which has carbon both as a matrix and as a fiber. By using carbon fiber-reinforced carbon, the turbine blade 1 is suitable for use up to temperatures of 2800 K due to its particularly high mechanical and thermal strength.
  • the turbine blade 1 constructed from carbon fiber reinforced material has a protective layer 18, at least in the blade area 6, surrounding the blade outer wall 10, in particular also forming the outer boundary of the blade outer wall 10.
  • a ceramic layer which is applied to the base material, the carbon fiber reinforced carbon, serves as the protective layer 18.
  • the ceramic layer is formed from silicon carbide. Silicon car- bid is particularly suitable because of its good processability and its good bonding properties with carbon. At its thinnest point, the ceramic layer has a value for the layer thickness of between 0.5 and 5 mm.
  • the turbine blade 1 is designed with two shells, in particular double walls.
  • a feed 20 is surrounded by a blade inner wall 22.
  • the feed 20 extends as a cavity along the main axis 2 of the turbine blade 1 (see FIG. 1).
  • the blade inner wall 22 is designed to be load-bearing and likewise extends along the main axis 2.
  • it can be made of metal, but preferably consists of the same material as the outer wall 10.
  • the protective gas S is fed via the feed 20 through the base area 4 into the airfoil area 6 (see also FIG. 1).
  • the protective gas S is in particular natural gas, water vapor or inert gas, which is supplied to the turbine blade 1 from a feed line (not shown).
  • the blade inner wall 22 is opposite the blade outer wall 10.
  • a plurality of cavities 24 are arranged between the outer wall 10 of the blade and the inner wall 22 of the blade, with a substantially flat extension extending along the wall of the blades 22, 10. Each cavity 24 is fluidly connected via an associated inlet 26 to the supply 20 for the protective gas S.
  • a number of spacers 28 are provided between the outer blade wall 10 and the inner blade wall 22.
  • the protective gas S flowing into the respective associated cavity 24 via the inlet 26 is discharged through a number of conditions 30 in the blade outer wall 10 in the flow of the working medium 16.
  • the outlets 30 are designed in terms of number and shape in such a way that the protective gas S flows directly along the blade outer wall 10, as a result of which an adjacent protective film is formed on the outer surface of the blade outer wall 10.
  • FIG. 4 shows - after removal of the outer wall 10 - a section of a turbine blade 1 according to FIG. 3 in the region of the cavities 24 with a plurality of inlets 26 and a plurality of spacers 28 which are arranged in a grid-like manner. Due to this grid-like arrangement of the spacers 28, the cavities 24 are correspondingly regularly formed.
  • the grid-shaped arrangement supports the outer wall 10 of the blade with respect to the inner wall 22 of the blade.
  • FIG. 5 shows a section of a plan view of the turbine blade 1 with a plurality of circular outlets 30.
  • the outlets 30 are preferably configured bores which, arranged one behind the other, each form a row, the rows being arranged offset from one another. In this way, a particularly efficient and uniform distribution of the protective gas S flowing out of the discharges 30 is achieved.
  • Adjacent rows of leads 30 are each arranged at a distance Dl from one another.
  • the outlets 30 are each at a distance D2 within a row.
  • the distance Dl between two adjacent rows is approximately the same or slightly less than the distance D2 between adjacent outlets 30 within a row of outlets 30.
  • the diameter of the circularly circular outlets 30 and the hole pattern to be selected depend on the mass flow to be achieved and Shielding gas pressure S.
  • FIG. 6 shows a turbine system 32 with a compressor 34, a combustion chamber 36 and a multi-stage turbine 38.
  • the hot work generated in the combustion chamber 36 by combustion beitsmedium, such as a hot gas, is relaxed in the respective stages of the turbine 38.
  • the first turbine stage 40 has at least one row of turbine blades 1, which are essentially formed from carbon fiber reinforced material.
  • turbine blades 1 are essentially formed from carbon fiber reinforced material.
  • these have both rows of conventional turbine blades - for example cast metallic turbine blades - and turbine blades 1 made of carbon fiber-reinforced carbon.
  • Turbine blades 1 with different protective layers 18 are used.
  • the advantages of the invention consist in particular in that a particularly high turbine inlet temperature is made possible by a turbine blade 1 formed from carbon fiber reinforced carbon, which is surrounded at least in the blade area 6 by a protective layer 18.
  • a turbine blade 1 formed from carbon fiber reinforced carbon, which is surrounded at least in the blade area 6 by a protective layer 18.
  • Another advantage is that due to the lower specific masses (mass density) of the turbine blade 1 during operation, the rotating mass is reduced by a factor of 10 compared to a conventionally cast turbine blade, whereby the strength of the turbine blade 1 is significantly improved.
  • the use of carbon fiber-reinforced carbon enables a significant reduction in the thermal expansion of the turbine blade 1, as a result of which gap losses are avoided, or at least reduced.
  • the natural gas is used to build up the protective layer 18, the natural gas introduced into the working space of the gas turbine also enables intermediate combustion or post-combustion, which additionally increases the efficiency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1), welche sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (4) über einen heißgasbeaufschlagbaren Schaufelblattbereich (6) zu einem Kopfbereich (8) erstreckt. Die Turbinenschaufel (1) ist im wesentlichen aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff gebildet, wobei zumindest der Schaufelblattbereich (6) eine Schaufelaußenwand (10) mit kohlefaserverstärktem Kohlenstoff aufweist, die von einer Schutzschicht (18) umgeben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1).

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Turbine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine. Die Turbinenschaufel erstreckt sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel sowie eine Turbinenanlage, insbesondere eine Gasturbinenanlage.
Der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage ist maßgeblich be- stimmt durch die Turbineneintrittstemperatur des Arbeitsmediums, welches in der Gasturbine entspannt wird. Daher werden möglichst hohe Temperaturen angestrebt. Die Turbinenschaufeln werden aber aufgrund der hohen Temperaturen stark thermisch und aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Arbeits- mediums oder Heißgases stark mechanisch belastet. Üblicherweise werden für die Turbinenschaufeln gußtechnisch hergestellte Schaufeln verwendet. Dabei handelt es sich um einen Feinguß - teilweise gerichtet erstarrt oder als Einkristall gezogen. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken, insbesondere Gasturbinenschaufeln, mit gerichtet erstarrten Gefüge ist in der DE-AS 22 42 111 beschrieben. Die Turbinenschaufel wird hierbei als Vollmaterialschaufel überwiegend aus Nickellegierungen in einkristalliner Form gegossen. Eine gekühlte Gasturbinenschaufel geht aus der US-PS 5,419,039 hervor. Die darin offenbarte Turbinenschaufel ist ebenfalls als ein Gußstück ausgeführt bzw. aus zwei Gußstücken zusammengesetzt.
Die Turbinenschaufeln werden üblicherweise bei Temperaturen nahe bei der für den Werkstoff der Turbinenschaufel maximal zulässigen Temperatur, der sogenannten Belastungsgrenze, betrieben. Beispielsweise beträgt die Turbineneintrittstempera- tur von Gasturbinen aufgrund der Temperaturgrenzen der für die Turbinenschaufel eingesetzten Werkstoffe ca. 1500 bis 1600 K, wobei in der Regel bereits eine Kühlung der Schaufeloberflächen vorgenommen wird. Eine Erhöhung der Turbinenein- trittstemperatur bedarf einer größeren Kühlluftmenge, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine und damit auch der einer Gesamtanlage, insbesondere einer Gas- und Dampfturbinenanlage, verschlechtert ist. Dies ist darin begründet, daß die Kühlluft üblicherweise einem der Gasturbine vorgeschalteten Ver- dichter entnommen wird. Diese komprimierte Kühlluft steht somit für die Verbrennung und zur Verrichtung von Arbeit nicht mehr zur Verfügung. Darüber hinaus ist aufgrund der Wärmeausdehnung der Turbinenschaufeln ein Spalt erforderlich, der vor allem im Teillastbereich der Gasturbine zu sogenannten Spalt- Verlusten führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Turbinenschaufel anzugeben, die besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich einer hohen mechanischen Beständigkeit und Temperaturfestig- keit aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbinenschaufel, welche sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen heißgasbeaufschlagbaren Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich erstreckt und im wesentlichen aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff gebildet ist, wobei zumindest der Schaufelblattbereich eine Schaufelaußenwand mit kohlefaserverstärktem Kohlenstoff aufweist, die von einer Schutzschicht umgeben ist.
Durch den Einsatz von kohlefaserverstärktem Kohlenstoff als Werkstoff für die Turbinenschaufel weist dieser eine besonders hohe thermische und mechanische Stabilität auf. Insbe- sondere sind gegenüber herkömmlichen einkristallinen Turbinenschaufeln höhere Turbineneintrittstemperaturen bis hin zu 2800 K ermöglicht. Es sind bevorzugt auch bei großen Wanddik- kenunterschieden zwischen dem Schaufelblattbereich und dem massiven Fußbereich oder am Fußbereich bzw. am Kopfbereich in allen Schaufelbereichen die gleiche WerkstoffStruktur und damit im wesentlichen die gleichen physikalischen Eigenschaften erreicht.
Aufgrund der besonders hohen Temperaturbeständigkeit des für die Turbinenschaufel eingesetzten Werkstoffs ist eine Kühlung der Turbinenschaufel nicht mehr erforderlich, wodurch ein be- sonders hoher Wirkungsgrad der Turbinenanlage erreicht wird. Für eine besonders gute Oxidationsbeständigkeit des kohlefaserverstärkten Kohlenstoffs ist die Schutzschicht vorgesehen, die zumindest die im Betrieb der Turbinenanlage heißgasbeauf- schlagte Schaufelaußenwand umgibt.
Zweckmäßigerweise ist als Schutzschicht eine Keramikschicht vorgesehen. Für die als reine Oberflächenschicht ausgeführte Keramikschicht eignet sich insbesondere eine Schicht aus Si- liziumcarbid. Der Einsatz von Siliziumcarbid bewirkt, daß die Oberfläche der Turbinenschaufel durch Reaktion des Siliziums mit dem Kohlenstoff mit einer dünnen Siliziumcarbid-Schicht versiegelt und dadurch sehr wirkungsvoll geschützt wird. Siliziumcarbid eignet sich insbesondere aufgrund seiner besonders oxidationshemmenden Eigenschaft als Schutzschicht für die aus kohlefaserverstärkten Kohlenstoff aufgebaute Turbinenschaufel .
Zweckmäßigerweise weist die Keramikschicht einen Minimalwert in ihrer Schichtdicke zwischen etwa 0,5 und 5 mm auf. In Ab- hängigkeit vom Einbauort der Turbinenschaufel, insbesondere von der dort herrschenden Temperaturbelastung, kann die Keramikschicht auch als eine Multilayerschicht ausgeführt sein.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schutzschicht alternativ oder zusätzlich durch einen gasförmigen Schutzfilm gegeben, der von einem Schutzgas gebildet ist. Vorteilhafterweise ist zumindest im Schaufelblattbereich eine Zuführung für das Schutzgas vorgesehen, die von der Schaufelinnenwand umgeben ist. Der durch die Schaufelinnenwand gebildete Hohlraum ermöglicht ein besonders einfaches Zuführen des Schutzgases.
Zur Verhinderung der Oxidation des kohlefaserverstärkten Kohlenstoffs, d.h. des Grundwerkstoffs der Turbinenschaufel, ist als Schutzgas vorteilhafterweise Erdgas, Wasserdampf oder Inertgas vorgesehen. Als Inertgas wird beispielsweise Abgas, Stickstoff oder ein Edelgas eingesetzt. Durch die Verwendung des Schutzgases ist gasdynamisch begünstigt eine besonders gleichmäßige Verteilung auf der Schaufeloberfläche gewährleistet. Die besonders guten Strömungseigenschaften des Schutzgases ermöglichen somit die Bildung eines geschlossenen und flächendeckenden Schutzfilms auf der Schaufeloberfläche.
Zur Verteilung des Schutzgases auf der Oberfläche der Schaufelaußenwand ist die Turbinenschaufel vorzugsweise mindestens im Schaufelblattbereich zweischalig ausgeführt. Beispiels- weise kann die Wand der Turbinenschaufel doppelwandig ausgeführt sein - mit einer Schaufelinnenwand, die die Zuführung umgibt, und einer entlang der Schaufelinnenwand sich erstreckenden Schaufelaußenwand. Zwischen der Schaufelaußenwand und der Schaufelinnenwand sind zweckmäßigerweise eine Mehrzahl von Hohlräumen gebildet, die jeweils über mindestens einen zugehörigen Einlaß mit der Zuführung strömungstechnisch verbunden sind. In vorteilhafter Ausgestaltung sind zur Bildung der Hohlräume eine Mehrzahl von Abstandshaltern rasterartig angeordnet. Zur Reduzierung des Gewichts der Turbinenschaufel sind zweckmäßigerweise die Abstandshalter aus kohlefaserverstärkten Kohlenstoff hergestellt. Durch die rasterartige Anordnung der Abstandshalter ist eine besonders wirksame Durchströmung des Schutzgases in den Hohlräumen über eine lange Wegstrecke ermöglicht.
Vorzugsweise sind in der Schaufelaußenwand eine Mehrzahl von Abführungen vorgesehen, die das Schutzgas aus jedem Hohlraum nach außen führen. Insbesondere sind die Zuführungen sowie Abführungen hinsichtlich der Anzahl und der Größe derart gewählt, daß die Schaufelaußenwand von dem Schutzgas umströmt wird. Das Schutzgas wird demzufolge in einem offenen Schutz- kreis durch die Turbinenschaufel hindurch geführt. Das
Schutzgas strömt dabei über die Abführungen aus den Hohlräumen an die Schaufelaußenwand aus und bildet einen Schutzfilm an der dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Schaufelaußenwand (vergleichbar mit der sogenannten Filmkühlung) . Die Ab- führungen sowie die Zuführungen sind vorzugsweise als eine
Bohrung oder mehrere Bohrungen ausgeführt. Diese können beispielsweise trichterförmig erweitert sein. Durch einen solchen spitzen Winkel wird die Ausbildung eines Films auf der Oberfläche der Schaufelaußenwand besonders begünstigt.
Ein derartiger doppelwandiger Aufbau ermöglicht eine Entkop- pelung der funktioneilen Eigenschaften der Wandstruktur, wobei an die Schaufelaußenwand geringere Anforderung an die mechanische Stabilität gestellt werden können als an die Schau- felinnenwand. Die Schaufelinnenwand kann mithin, da sie nicht unmittelbar einer Heißgasströmung ausgesetzt ist, mit einer größeren Wandstärke als die Schaufelaußenwand ausgeführt sein und im wesentlichen die mechanische Tragfunktion für die Turbinenschaufel übernehmen. Der Querschnitt des Hohlraumberei- ches zwischen der Schaufelaußenwand und der Schaufelinnenwand ist vorzugsweise zur Ausbildung einer hohen Geschwindigkeit des Schutzgases möglichst gering ausgebildet und liegt insbesondere im Bereich der Wandstärke der Schaufelaußenwand. Durch einen kleinen durchströmten Querschnitt des Hohlraumes und eine damit ausgebildete hohe Geschwindigkeit des Schutzgases wird eine besonders gute Schutzfilmeigenschaft erreicht, insbesondere auch eine effiziente Wärmeabfuhr durch das Schutzgas.
Die Turbinenschaufel ist bevorzugt ausgestaltet als Laufoder Leitschaufel einer Turbine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, in der Temperaturen von deutlich über 1000 °C des im Betrieb die Turbinenschaufel umströmenden Heißgases auftreten. Der Schaufelblattbereich der Turbinenschaufel hat zweckmäßigerweise eine Höhe zwischen 5 cm und 50 cm. Die Wandstärke der Schaufelaußenwand und/oder der Schaufelinnen- wand hat vorzugsweise einen minimalen Wert zwischen 0,5 mm und 5 mm.
Soweit die Aufgabe auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gerichtet ist, welche sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich erstreckt, wird sie erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von Kohlenstoffasern derart verarbeitet werden, daß die Kohlenstoffasern die Form der Turbinenschaufel bilden, wobei zwischen den Kohlenstoffa- sern Kunstharz angeordnet wird, das bei Erhitzung unter luftdichtem Verschluß in eine die Kohlenstoffasern umgebende Matrix aus reinem Kohlenstoff überführt wird.
Hierdurch ist eine Turbinenschaufel mit hinreichenden thermi- sehen und mechanischen Festigkeitseigenschaften herstellbar, die sowohl in einem massiven als auch dünnwandigen Bereich eine im wesentlichen gleiche WerkstoffStruktur aufweist. Die Prozeßparameter des Verfahrens - z.B. das Wickeln und Kleben bei der Verarbeitung der Kohlenstoffasern, die Temperatur und Dauer des Erhitzungsvorganges sowie die Art des verwendeten Kunstharzes, etc. - sind der Größe und den gewünschten Festigkeitseigenschaften der Turbinenschaufel angepaßt.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele werden die Turbinenschaufeln sowie das Verfahren zur Herstellung der Turbinenschaufel näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 eine Längsansicht einer Turbinenschaufel, FIG 2 eine Turbinenschaufel mit einer Schutzschicht im Querschnitt, FIG 3 eine Turbinenschaufel mit mindestens einem Hohlraum im Querschnitt, FIG 4 einen Abschnitt der Turbinenschaufel nach FIG 2 mit einem Hohlraum und Abstandshaltern, FIG 5 einen Ausschnitt einer Draufsicht auf die Turbinenschaufel, und FIG 6 schematisch eine Turbinenanlage.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist eine sich entlang einer Hauptachse 2 von einem Fußbereich 4 über einem Schaufelblattbereich 6 zu einem Kopfbereich 8 erstreckende Turbinenschaufel 1, insbesondere eine Laufschaufei einer stationären Gasturbine, dargestellt. Der Schaufelblattbereich 6 weist eine Schaufelaußenwand 10, einen Anströmbereich 12 sowie einen Abströmbereich 14 auf. Die nicht näher dargestellte Gasturbine wird im Betrieb von einem heißen Arbeitsmedium 16 ("Heißgas") durchströmt, welches die Turbinenschaufel 1 in den Anströmbereich 12 anströmt und ent- lang der Schaufelaußenwand 10 bis zu dem Abströmbereich 14 vorbeiströmt. Die Turbinenschaufel 1 ist aus kohlefaserverstärkten Kohlenstoff gebildet. Dieser Werkstoff ist ein sogenannter Faserverbundwerkstoff, der sowohl als Matrix als auch als Faser Kohlenstoff aufweist. Durch den Einsatz von kohle- faserverstärktem Kohlenstoff eignet sich die Turbinenschaufel 1 aufgrund der besonders hohen mechanischen und thermischen Festigkeit für einen Einsatz bis zu Temperaturen von 2800 K.
Zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der aus kohlefaser- verstärktem Werkstoff aufgebauten Turbinenschaufel 1 weist diese gemäß FIG 2 zumindest im Schaufelblattbereich 6 eine die Schaufelaußenwand 10 umgebende, insbesondere dabei auch die äußere Begrenzung der Schaufelaußenwand 10 bildende, Schutzschicht 18 auf. Als Schutzschicht 18 dient dabei eine Keramikschicht, die auf dem Basiswerkstoff, dem kohlefaserverstärkten Kohlenstoff, aufgebracht ist. Beispielsweise ist die Keramikschicht aus Siliziumcarbid gebildet. Siliziumcar- bid eignet sich insbesondere aufgrund seiner guten Verarbeit- barkeit sowie aufgrund der guten Verbindungseigenschaften mit Kohlenstoff. Die Keramikschicht weist dabei an ihrer dünnsten Stelle einen Wert der Schichtdicke zwischen 0,5 und 5 mm auf.
In der FIG 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Turbinenschaufel 1 zu sehen, welche anstelle einer festen Keramikschicht einen aus einem Schutzgas S gebildeten Schutzfilm zur Vermeidung von Oxidation aufweist. Dazu ist die Turbinen- schaufei 1 zweischalig, insbesondere doppelwandig ausgeführt. Eine Zuführung 20 ist von einer Schaufelinnenwand 22 umgeben. Die Zuführung 20 erstreckt sich als Hohlraum entlang der Hauptachse 2 der Turbinenschaufel 1 (vergleiche Figur 1) . Die Schaufelinnenwand 22 ist tragend ausgeführt und erstreckt sich ebenfalls entlang der Hauptachse 2. Sie kann wie herkömmliche Turbinenteile aus Metall gefertigt sein, besteht bevorzugt aber aus dem gleichen Werkstoff wie die Außenwand 10.
Das Schutzgas S wird über die Zuführung 20 durch den Fußbereich 4 in den Schaufelblattbereich 6 hineingeführt (siehe auch Figur 1) . Das Schutzgas S ist insbesondere Erdgas, Wasserdampf oder Inertgas, welches von einer nicht dargestellten Zuführleitung der Turbinenschaufel 1 zugeführt wird. Der Schaufelinnenwand 22 liegt hierbei die Schaufelaußenwand 10 gegenüber. Zwischen der Schaufelaußenwand 10 und der Schaufelinnenwand 22 sind eine Mehrzahl von Hohlräumen 24 mit einer im wesentlichen flächigen, entlang der Schaufelwände 22, 10 sich erstreckenden Ausdehnung angeordnet. Jeder Hohlraum 24 ist über einen zugehörigen Einlaß 26 mit der Zuführung 20 für das Schutzgas S strömungstechnisch verbunden. Zur Bildung der Hohlräume 24 sind zwischen der Schaufelaußenwand 10 und der Schaufelinnenwand 22 eine Anzahl von Abstandshaltern 28 vorgesehen.
Das über den Einlaß 26 in den jeweils zugehörigen Hohlraum 24 einströmende Schutzgas S wird über eine Anzahl von Abführun- gen 30 in der Schaufelaußenwand 10 in die Strömung des Arbeitsmediums 16 geführt. Die Abführungen 30 sind dabei hinsichtlich der Anzahl und der Form derart ausgeführt, daß das Schutzgas S unmittelbar an der Schaufelaußenwand 10 entlang strömt, wodurch ein anliegender Schutzfilm auf der Außenoberfläche der Schaufelaußenwand 10 gebildet wird.
FIG 4 zeigt - nach Entfernung der Außenwand 10 - einen Ausschnitt einer Turbinenschaufel 1 gemäß FIG 3 im Bereich der Hohlräume 24 mit mehreren Einlassen 26 sowie mehreren Abstandshaltern 28, die rasterartig angeordnet sind. Durch diese rasterartige Anordnung der Abstandshalter 28 sind die Hohlräume 24 entsprechend regelmäßig gebildet. Die rasterför- mige Anordnung übernimmt die Abstützung der Schaufelaußenwand 10 gegenüber der Schaufelinnenwand 22.
FIG 5 zeigt einen Ausschnitt einer Draufsicht auf die Turbinenschaufel 1 mit einer Mehrzahl kreisrunder Abführungen 30. Die Abführungen 30 sind vorzugsweise Bohrungen ausgestaltet, die unmittelbar hintereinander angeordnet jeweils eine Reihe bilden, wobei die Reihen zueinander versetzt gegeneinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonders effiziente und gleichmäßige Verteilung des aus den Abführungen 30 ausströmenden Schutzgases S erreicht. Benachbarte Reihen von Abfüh- rungen 30 sind dabei jeweils mit einem Abstand Dl voneinander angeordnet. Innerhalb einer Reihe haben die Abführungen 30 jeweils einen Abstand D2. Der Abstand Dl zwischen zwei benachbarten Reihen ist in etwa gleich oder etwas geringer als der Abstand D2 zwischen benachbarten Abführungen 30 innerhalb einer Reihe von Abführungen 30. Der Durchmesser der im Querschnitt kreisförmigen Abführungen 30 sowie das zu wählende Lochraster sind abhängig von dem zu erzielenden Massenstrom und Druck des Schutzgases S.
FIG 6 zeigt eine Turbinenanlage 32 mit einem Verdichter 34, einer Brennkammer 36 und einer mehrstufigen Turbine 38. Das in der Brennkammer 36 durch Verbrennung erzeugte heiße Ar- beitsmedium, z.B. ein Heißgas, wird dabei in den jeweiligen Stufen der Turbine 38 entspannt. In Abhängigkeit von den in der Turbine 38 auftretenden Temperaturen weist die erste Turbinenstufe 40 mindestens eine Reihe von Turbinenschaufeln 1 auf, welche im wesentlichen aus kohlefaserverstärkten Werkstoff gebildet sind. In Abhängigkeit von den Temperatur- und Druckverhältnissen in der zweiten und dritten Turbinenstufe 42 bzw. 44 weisen diese sowohl Reihen von konventionellen Turbinenschaufeln - z.B. gegossene metallische Turbinenschau- fei - als auch Turbinenschaufeln 1 aus kohlefaserverstärkten Kohlenstoff auf. Dabei werden Turbinenschaufeln 1 mit unterschiedlichen Schutzschichten 18 eingesetzt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch eine aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff gebildete Turbinenschaufel 1, welche zumindest im Schaufelblattbereich 6 von einer Schutzschicht 18 umgeben ist, eine besonders hohe Turbineneintrittstemperatur ermöglicht wird. Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft die Tatsache, daß eine Kühlung aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit des Werkstoffs der Turbinenschaufel 1 nicht mehr erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund des geringeren spezifischen Massen (Massendichte) der Turbinenschaufel 1 im Betrieb bei Rotation die rotierende Masse gegenüber einer herkömmlich gegossenen Turbinenschaufel um den Faktor 10 reduziert ist, wodurch die Festigkeit der Turbinenschaufel 1 deutlich verbessert ist. Ferner ermöglicht die Verwendung von kohlefaserverstärkten Kohlenstoff eine deutliche Reduzierung der Wärmedehnung der Turbinenschaufel 1, wodurch Spaltver- luste vermieden, zumindest aber reduziert, sind. Bei dem Einsatz von Erdgas zum Aufbau der Schutzschicht 18 wird darüber hinaus durch das in dem Arbeitsraum der Gasturbine eingebrachte Erdgas eine Zwischenverbrennung oder Nachverbrennung ermöglicht, die zusätzlich eine Wirkungsgraderhöhung herbei- führt.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (1), welche sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (4) über einen heißgasbeaufschlagba- ren Schaufelblattbereich (6) zu einem Kopfbereich (8) erstreckt und im wesentlichen aus kohlefaserverstarktem Kohlenstoff gebildet ist, wobei zumindest der Schaufelblattbereich (6) eine Schaufelaußenwand (10) mit kohlefaserverstärktem Kohlenstoff aufweist, die von einer Schutzschicht (18) umge- ben ist.
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der als Schutzschicht (18) mindestens eine Keramikschicht vorgesehen ist.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2, bei der die Keramikschicht Siliziumcarbid ist.
4. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Keramikschicht einen minimalen Wert in ihrer Schichtdicke zwischen 0,5 und 5 mm aufweist.
5. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der die Schutzschicht (18) mindestens von einem gasförmigen Schutzfilm aus einem Schutzgas (S) gebildet ist.
6. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 5, bei der zumindest im Schaufelblattbereich (6) eine Zuführung (20) für das Schutzgas (S) vorgesehen ist, die von einer Schaufelinnenwand (22) umgeben ist.
7. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der als Schutzgas (S) Erdgas, Wasserdampf oder Inertgas vorgesehen ist.
8. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei der zwischen der Schaufelaußenwand (10) und der Schaufelinnenwand (22) eine Mehrzahl von Hohlräumen (24) gebildet ist, die je- weils über mindestens einen zugehörigen Einlaß (26) mit der Zuführung (20) strömungstechnisch verbunden sind.
9. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 8, bei der eine Mehr- zahl von Abstandshaltern (28), die rasterartig angeordnet sind, zur Bildung der Hohlräume (24) vorgesehen ist.
10. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 9, bei der die Abstandshalter (28) aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff sind.
11. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der in der Schaufelaußenwand (10) eine Mehrzahl von Abführungen (30) vorgesehen sind, die das Schutzgas (S) aus jedem Hohlraum (24) nach außen führen.
12. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei der die Wandstärke der Schaufelaußenwand (10) und/oder der Schaufelinnenwand (22) einen minimalen Wert zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweisen bzw. aufweist.
13. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ausgebildet als Laufschaufel oder Leitschaufel einer Turbine
(38), insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine.
14. Turbinenanlage (32) mit einem Verdichter (34), einer
Brennkammer (36) und einer mehrstufigen Turbine (38), in deren jeweiligen Stufen (40, 42, 44) ein in der Brennkammer (36) erzeugtes Arbeitsmedium entspannbar ist, wobei mindestens eine Stufe (40, 42, 44) mindestens eine Reihe von Tur- binenschaufeln (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfaßt.
15. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1), welche sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (4) über einen Schaufelblattbereich (6) zu einem Kopfbereich (8) erstreckt, wobei eine Mehrzahl von Kohlenstoffasern derart verarbeitet werden, daß die Kohlenstoffasern die Form der Turbinenschaufel (1) bilden, wobei zwischen den Kohlenstoffa- sern Kunstharz angeordnet wird, das bei Erhitzung unter luftdichten Verschluß in eine die Kohlenstoffasern umgebende Matrix aus reinem Kohlenstoff überführt wird.
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