[0001] Die Erfindung betrifft allgemein Turbomaschinenausrüstungen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Turbomaschinen-Schaufelblatt mit Komponenten, die aus verschiedenen Materialien bestehen.
[0002] Turbomaschinenausrüstungen können viele Formen annehmen oder in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Diese Formen und Anwendungen können Dampfturbinen zur Stromerzeugung, Gasturbinen zur Stromerzeugung, Gasturbinen für den Flugzeugantrieb und Windturbinen zur Stromerzeugung einschliessen.
[0003] In einer Gasturbine sind typischerweise zahlreiche rotierende Laufschaufeln und stationäre Leitschaufeln vorhanden. Die Lauf- und Leitschaufeln sind in der Umfangsrichtung in alternierenden Gruppen angeordnet, die in der Längsrichtung entlang der Turbine beabstandet sind.
Jede der Lauf- und Leitschaufeln weist einen Schaufelblattabschnitt auf, der an einem Befestigungsabschnitt angebracht ist.
[0004] Ein konventionelles Gas- oder Dampfturbinen-Laufschaufel- oder Leitschaufeldesign weist typischerweise einen Schaufelblattabschnitt auf, der ganz aus einer Metalllegierung wie z.B. Titan, Aluminium oder nicht rostendem Stahl besteht. Das konventionelle Gas oder Dampfturbinenverdichter-Laufschaufel oder Leitschaufeldesign kann auch ganz aus einem Verbundwerkstoff wie faserverstärktem Kunststoff bestehen. Die Ganzmetallschaufeln sind relativ schwer, was eine geringere Kraftstoffeinsparung zur Folge haben und robuste Befestigungsabschnitte erfordern kann.
In einer Gasturbinenanwendung sind die leichteren Schaufeln ganz aus Verbundwerkstoff anfällig für Beschädigung und Verschleiss durch aufgenommene Fremdkörper.
[0005] Bekannte Hybridschaufeln weisen einen zusammengesetzten Schaufelblattabschnitt mit einer Metallvorderkante auf, um das Schaufelblatt vor Verschleiss und dem Aufprall aufgenommener Fremdkörper zu schützen. Die Gasturbinenschaufeln der ersten Stufe sind typischerweise die grössten und schwersten Schaufeln und allgemein die ersten, die aufgenommenen Fremdkörpern ausgesetzt werden. Zusammengesetzte Schaufeln sind typischerweise in Turbinenanwendungen eingesetzt worden, wo das Gewicht ein wichtiges Kriterium ist.
[0006] Bei einem typischen Gasturbinenverdichter-Schaufelblatt stellt die Gesamtgeometrie einen Kompromiss zwischen den strukturellen und aerodynamischen Erfordernissen dar.
Die strukturellen Erfordernisse und die Fähigkeit, Schäden zu widerstehen, die auf aufgenommene Fremdkörper zurückzuführen sind, stehen in direktem Konflikt mit einer Schaufelblattgeometrie, die für aerodynamische Leistung optimiert ist. Zum Beispiel ist ein aerodynamisch wünschenswertes Schaufelblatt relativ dünn mit einer relativ scharfen Vorderkante. Dagegen ist ein strukturell wünschenswertes Schaufelblatt relativ dick mit einer robusten Vorderkante. Das Enddesign stellt typischerweise einen Kompromiss zwischen den gegensätzlichen strukturellen und aerodynamischen Erfordernissen dar, wobei keiner von beiden optimal ist.
[0007] Gegenwärtige Herstellungsverfahren für ein Ganzmetall-Schaufelblatt erfordern das Fräsen und Polieren des Schaufelblatts von Hand, um die gewünschte Geometrie zu erreichen.
Der Poliervorgang zum Erhalt von kritischen Schaufelblattmassen und Oberflächenbeschaffenheiten ist arbeitsintensiv. Dies erfordert die Verwendung von Materialien, die leicht bearbeitet und poliert werden können, um die Kosten zu minimieren. Dies schränkt typischerweise die Materialauswahl ein und erhöht die Herstellungskosten.
[0008] Während des Betriebs einer Gasturbine zur Stromerzeugung können sich auf der Schaufelblattfläche Schmutz und Fremdkörper ansammeln, was einen Verlust der Auslegungsleistung zur Folge haben kann. Typischerweise wird Wasserspülung verwendet, um diesen angesammelten Schmutz und die Fremdkörper zu entfernen. Diese Spülung kann das Metallmaterial des Schaufelblatts erodieren und korrodieren.
Der Spalt an den Verdichter-Schaufelblattspitzen ist typischerweise nicht optimiert, um die Möglichkeit des Reibens der Rotorschaufelspitzen am Gehäuse oder des Reibens der Statorschaufelspitzen am Rotor auszuschliessen.
[0009] Daher besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenschaufel, das leichter als ein Ganzmetall-Schaufelblatt ist, wünschenswerte strukturelle und aerodynamische Eigenschaften hat, aufgenommenen Fremdkörpern widersteht, kostenwirksam und erosions- und korrosionsbeständig ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0010] Ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Schaufelblatts nach einem Aspekt der Erfindung umfasst den Schritt des Bereitstellens eines Kerns, der aus einem Metall- oder Keramikmaterial besteht.
Ein Kunststoff-Schaufelblattabschnitt wird geformt, um mindestens einen Teil des Kerns zu umhüllen.
[0011] Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Schaufelblatts. Das Verfahren umfasst den Schritt des Bereitstellens eines Kerns, der aus einem Metall- oder Keramikmaterial besteht. Der Kern wird mit einer Vorderkante versehen. Ein Kunststoff-Schaufelblattabschnitt wird geformt, um mindestens die Vorderkante des Kerns zu umhüllen.
[0012] Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Schaufelblatts. Das Verfahren umfasst den Schritt des Formens eines Metallkerns durch Druckgiessen, Modellausschmelzgiessen oder Schmieden.
Ein Kunststoff-Schaufelblatt wird spritzgegossen, um mindestens einen Teil des Kerns zu umhüllen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen hervor, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine perspektivische Darstellung eines zusammengesetzten Schaufelblatts nach einem Aspekt der Erfindung ist, mit einem inneren Bauteil, das durch gestrichelte Linien dargestellt ist;
<tb>Fig. 2<sep>eine auseinandergezogene Ansicht des in Fig. 1 gezeigten zusammengesetzten Schaufelblatts ist; und
<tb>Fig. 3<sep>eine Querschnittsansicht des zusammengesetzten Schaufelblatts von Fig. 1 entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 ist;
<tb>Fig. 4<sep>eine perspektivische Ansicht einer Gussformhälfte nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist;
<tb>Fig. 5<sep>eine perspektivische Ansicht einer anderen Gussformhälfte mit dem darin aufgenommenen Schaufelblatt ist; und
<tb>Fig. 6<sep>eine perspektivische Ansicht der in Fig. 4 und 5 gezeigten Gussformhälften, die das zusammengesetzte Schaufelblatt einschliessen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0014] In Fig. 1 wird ein zusammengesetztes Schaufelblatt 20 als Teil einer Schaufel 10 für eine Gasturbine gezeigt, die nach einem Aspekt der Erfindung in einer Stromerzeugungsanwendung eingesetzt wird. Es versteht sich, dass das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 der Schaufel 10 in verschiedenen Aspekten der Erfindung die Form einer Verdichter-Laufschaufel, Leitschaufel oder Turbinenschaufel aufweisen kann und in Dampfturbinen-, Gasturbinen oder Windturbinenanwendungen verwendet werden kann.
Das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 der Schaufel 10 weist einem Aspekt entsprechend einen Kern 22 und einen Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24 auf, der den Kern vollständig umhüllt und einkapselt.
[0015] Das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 besteht auf einzigartige Weise aus mindestens zwei verschiedenen Materialien. Hierin bedeutet "zusammengesetzt" den aus Kunst-Stoffmaterial geformten fertigen Schaufelblattabschnitt 24, der auf einem relativ starken Strukturmaterial (wie Metall oder Keramik) sitzt, der den Kern 22 formt.
Der Begriff "Kunststoff" bedeutet ein Material, das bei einer Temperatur schmelzbar ist, die relativ niedriger als der Schmelzpunkt des Materials des Kerns 22 ist, wodurch es fliessen und leicht in eine gewünschte Endform gebracht werden kann.
[0016] Ein Fuss 26 ist mit dem Kern 22 verbunden und wird benutzt, um die Schaufel zum Betrieb an die Turbinenstruktur zu montieren. Der Fuss 26 kann mit dem Kern verbunden werden, indem Kern und Fuss integral als eine Teilkomponente aus einem Stück geformt werden, wie z.B. durch Schmieden oder Bearbeiten aus einem Rohmaterialstück z.B. aus Metall oder Keramik. Alternativ dazu können der Kern 22 und der Fuss 26 separat hergestellt werden, und der Kern kann am Fuss befestigt, angeschweisst oder auf andere Weise damit verbunden sein.
Eine Spitze 40 liegt an dem Ende des zusammengesetzten Schaufelblatts 20, das dem Fuss 26 axial entgegengesetzt ist. Eine Achse A verläuft vom Fuss 26 zur Spitze 40 in einer Längsrichtung des zusammengesetzten Schaufelblatts 20. Hierin bezieht sich die "Achse" A auf eine Bezugsachse und nicht auf ein physikalisches Teil der Schaufel 10 oder des zusammengesetzten Schaufelblatts 20.
[0017] Einem Aspekt der Erfindung entsprechend sind die Schaufel 10 und das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 ausgelegt, um bei der typischen Temperatur betrieben zu werden, der die ersten Stufen eines Turbinenverdichters ausgesetzt werden können.
In einer Gasturbinenanwendung zur Stromerzeugung ist die "Auslegungsbetriebstemperatur" die Höchsttemperatur, welcher die Schaufel 10 und der Schaufelblattabschnitt 24 in den ersten Stufen eines Verdichters während des Normalbetriebs voraussichtlich ausgesetzt sein können. Ein Beispiel einer typischen Gasturbinen-Auslegungsbetriebstemperatur in den ersten Stufen liegt, ohne Beschränkung, allgemein im Bereich von 18 deg. C bis 200 deg. C.
[0018] Medienrichtungspfeile M (in Fig. 3) zeigen die allgemeine Strömungsrichtung an. Das Medium M enthält in einer Gasturbinenanwendung typischerweise Luft. Das Medium M in einer Gasturbinen-Stromerzeugungsanwendung ist typischerweise kontrolliert.
Das heisst, das Medium M durchläuft einen Einlassfilter, um viele der Fremdkörper zu entfernen, kann auf einen gewünschten Temperaturbereich gekühlt oder erwärmt werden und durch die Struktur geführt werden, um Feuchtigkeit und Salz zu entziehen.
[0019] In einer Verdichterschaufelanwendung einer Gasturbine für das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 weist der Fuss 26 typischerweise einen Schwalbenschwanzabschnitt 42 (Fig. 1-2) auf, um die Schaufel 10 an eine Rotorscheibe (nicht gezeigt) zu befestigen. Der Schaufelblattabschnitt 24 hat eine Vorderkante 44 (Fig. 3) und eine Hinterkante 46. Die Strömungsrichtung des Mediums M ist allgemein von der Vorderkante 44 zur Hinterkante 46.
Der Schaufelblattabschnitt 24 des zusammengesetzten Schaufelblatts 20 weist auch eine druckseitige Fläche 62 und eine saugseitige Fläche 64 auf.
[0020] Der Schaufelblattabschnitt 24 ist eine sehr komplexe Fläche, die durch eine Reihe von Punkten an Abschnitten definiert wird, die entlang der Achse A beabstandet sind. Die Vorderkante 44 und die Hinterkante 46 sind typischerweise runde Flächen, die einem Aspekt entsprechend durch relativ kleine Radien definiert werden. Die komplexe Fläche, die Vorderkante 44 und die Hinterkante 46 sind relativ schwer herzustellen. Aus aerodynamischen Gründen ist es allgemein wünschenswert, eine Vorderkante 44 mit möglichst kleinem Radius zu haben, z.B. 0,010 Zoll, was zuvor nicht praktisch durchführbar war.
Es ist auch wünschenswert, eine äusserst glatte und präzise Endform für den Schaufelblattabschnitt 24 zu erhalten, die keine Formmaschinen, Polieren oder Beschichten erforderlich macht, was zuvor auch nicht praktisch durchführbar war. Die vorherigen Nachteile werden überwunden, wenn es möglich ist, einen Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24 in seiner Endform oder annähernden Endformspritzzugiessen.
[0021] Bevorzugt umhüllt der Schaufelblattabschnitt den Kern 22 vollständig. In einem Aspekt der Erfindung ist das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 der Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24, der mindestens einen Teil des Metall- oder Keramikkerns 22 umhüllt. Es versteht sich aber, dass der Kern 22 vom Schaufelblattabschnitt 24 nicht ganz umhüllt zu werden braucht und dass der Kern einem anderen Aspekt der Erfindung entsprechend partiell bedeckt werden kann.
Der Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24 wird ohne die Notwendigkeit einer Faserverstärkung auf mindestens einen Teil des Kerns 22 geformt, bevorzugt durch Spritzguss. Der Spritzgussprozess ist in der Lage, präzise und genaue Abschnitte des Schaufelblattabschnitts 24 zu formen, wie z.B. die druckseitige Fläche 62, die saugseitige Fläche 64, die Vorderkante 44 und die Hinterkante 46.
[0022] Mit dem mehrteiligen Design kann die innere Geometrie der Schaufel 10 in Form des Kerns 22 zur Frequenzabstimmung und für strukturelle Anforderungen optimiert werden.
Die Aussenfläche kann in Form des spritzgegossenen Kunststoff-Schaufelblattabschnitts 24 für aerodynamische Leistung massgeschneidert werden.
[0023] In einem beispielhaften Aspekt weist der Kern 22 eine Vielzahl von Öffnungen 82 auf, die zwischen der druckseitigen Fläche 62 und der saugseitigen Fläche 64 des Schaufelblattabschnitts 24 durch diesen verlaufen. Die Öffnungen 82 liegen in Bereichen des Kerns 22, die keine durchgehende feste Struktur für die Festigkeit oder Funktion erfordern. Die Öffnungen 82 erleichtern den Kern 22 für eine geringere rotierende Masse, was allgemein ein wünschenswertes Merkmal ist. Die Öffnungen 82 nehmen während des Spritzgussprozesses einen Abschnitt 84 des Kunststoffmaterials des Schaufelblattabschnitts 24 auf, um den Schaufelblattabschnitt relativ zum Kern 22 zurückzuhalten.
Die Öffnungen 82 müssen nicht ganz durch den Kern 22 gehen, sind aber tief genug, um den Abschnitt 84 des Kunststoffmaterials aufzunehmen. Der Abschnitt 84 des Kunststoffmaterials muss die Öffnung 82 nicht ganz ausfüllen, verläuft aber weit genug in die Öffnung hinein, um den Schaufelblattabschnitt 24 relativ zum Kern 22 zurückzuhalten.
[0024] Der Kern 22 weist einen Spitzenabschnitt 100 (Fig. 2) auf. Der Kern 22 hat eine Vorderkante 102 (Fig. 2 und 3) und eine Hinterkante 104. Die Spitze 28 des Schaufelblattabschnitts umhüllt den Spitzenabschnitt 100 des Kerns 22. Der Schaufelblattabschnitt 24 umhüllt mindestens die Vorderkante 102 des Kerns 22 und bevorzugt die gesamte Aussenfläche des Kerns einschliesslich der Hinterkante 104.
Der Schaufelblattabschnitt 24 weist an einer abseits der Öffnungen 82 liegenden Stelle eine Dicke t (Fig.3) z.B. im Bereich von 0,020 bis 0,100 Zoll auf, mit der er den Kern 22 abseits der Öffnungen 82 bedeckt. Die Dicke muss nicht einheitlich sein. Die Dicke t kann von einer oder beiden Kanten 44, 46 zur Mitte der Schaufel 10 hin allmählich zunehmen. Die Tiefe der Öffnung 82 ist bevorzugt grösser als die Dicke t des den Kern 22 bedeckenden Schaufelblattabschnitts 24.
[0025] Indem der Schaufelblattabschnitt 24 aus Kunststoff hergestellt wird, kann die für die aerodynamische Leistung erwünschte Endform des Schaufelblatts eingearbeitet werden, und bevorzugt, ohne Formmaschinen, Polieren oder Beschichtung zu erfordern.
Weil der Schaufelblattabschnitt 24 von der inneren lasttragenden Struktur des Kerns 22 getrennt ist, ist auch ein Design möglich, das Beschädigungen durch aufgenommene Fremdkörper gegenüber toleranter ist. Diese Trennung der lasttragenden Struktur des Kerns 22 vom Schaufelblattabschnitt 24 erhöht auch die Zahl der Materialoptionen, die zur Herstellung des Kerns verfügbar sind, um die strukturellen Eigenschaften zu maximieren und das Gewicht zu minimieren.
[0026] Indem die strukturellen und aerodynamischen Komponenten des Designs der Schaufel 10 getrennt werden, entstehen eine Anzahl von Kosteneinsparungsmöglichkeiten. Enge Herstellungstoleranzen sind bei der inneren lasttragenden Struktur nicht mehr erforderlich, was nun die Verwendung von Nickel oder Keramikwerkstoffen für den Kern 22 ermöglicht.
Die Materialien mit höheren Modulen können eine vergleichbare Steifigkeit bei weniger Masse bieten, wodurch das Gesamtgewicht der Schaufel 10 reduziert wird. Dies eröffnet auch Möglichkeiten für das Modellausschmelzgiessen, Druckgiessen oder Schmieden des Kerns 22 mit begrenzter Bearbeitung. Durch Spritzgiessen des Kunststoff-Schaufelblattabschnitts 24 zum Erhalt der aerodynamischen Endform kann der gesamte Vorgang des Polierens von Hand der vorherigen Ganzmetallschaufelkonfigurationen entfallen.
Der Spritzguss des Kunststoff-Schaufelblattabschnitts 24 ergibt auch eine sehr einheitliche Schaufelblattform mit einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit, wodurch die Notwendigkeit von Oberflächenbehandlungen nach dem Polieren entfällt.
[0027] Das Herstellen einer glatten Oberfläche für den Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24 durch Spritzguss reduziert die Ansammlung von Fremdkörpern auf der Schaufel 10. Dies verringert die Notwendigkeit häufiger Wasserspülungen. Das Material für den Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24 ist schon an sich korrosionsbeständig.
Zusätzlich können dem Schaufelblattabschnitt 24 Zusatzstoffe wie PTFE zugesetzt werden, um die Abstossung der Fremdkörperansammlung auf dem Schaufelblattabschnitt zu verbessern.
[0028] Durch Spritzgiessen der Spitze 28 des Kunststoff-Schaufelblattabschnitts 24 können die Abstände zu den anderen Turbinenbauteilen enger gehalten werden. Falls der Kunststoff sich gegen ein anderes Turbinenbauteil reibt, ist dies ein gutartiges Ereignis und gefährdet nicht die strukturellen Bauteile der Schaufel 10 oder Turbine. Mit dem zusammengesetzten Schaufelblatt 20 können die Verdichterspalte zur Leistungserhöhung enger gehalten werden, ohne die Notwendigkeit, abreibbare Flächen oder eine reibungsfähige Beschichtung vorzusehen.
[0029] Die technischen Vorteile sind zahlreich.
Das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 bietet die Möglichkeit, beschädigungstolerantere und optimierte Schaufelblattabschnitte 24 und einen strukturell optimierten Kern 22 bereitzustellen. Zusätzlich führt die Möglichkeit, die aerodynamische Geometrie des Schaufelblattabschnitts 24 zu optimieren, zu einer erhöhten Leistung der Gasturbine. Die Verringerung der Verdichterverschmutzung des Schaufelblattabschnitts 24 reduziert den Grad der Leistungsverminderung. Es sind auch signifikante Möglichkeiten zur Senkung der Herstellungskosten vorhanden.
[0030] Das zusammengesetzte Schaufelblatt 20 der Schaufel 10 gewährleistet demnach durch den spritzgegossenen Kunststoff-Schaufelblattabschnitt 24 eine optimale aerodynamische Form und durch den Kern 22 die erwünschten strukturellen Eigenschaften.
Das Kunststoffmaterial des Schaufelblattabschnitts 24 kann jedes geeignete Kunststoffmaterial sein. Das Kunststoffmaterial wird gewählt, um der Auslegungsbetriebstemperatur der jeweiligen Turbinenstufe, in welcher es betrieben werden soll, standzuhalten. Zum Beispiel wird die erste Stufe eines Gasturbinenverdichters bei Umgebungslufttemperaturen und im Vergleich zu anderen späteren Stufen des Verdichters bei niedrigen Drücken betrieben.
[0031] Die Schaufel 10 kann einem anderen Aspekt der Erfindung entsprechend hergestellt werden. Die Schaufel 10 wird aus dem zusammengesetzten Schaufelblatt 20 hergestellt, indem zuerst der Metallkern 22 durch Druckgiessen, Modellaus-schmelzgiessen oder Schmieden geformt wird. Der Kern 22 kann auch aus einem Keramikwerkstoff hergestellt werden, der zu seiner Endform geformt wird.
Der Kern 22 ist in seiner Endkonfiguration mit dem Fuss 26 und dem Schwalbenschwanzabschnitt 42 geformt.
[0032] Der Kern 22 wird dann in einer Gussformhälfte 120 (Fig. 4) einer Spritzgussmaschine (nicht gezeigt) getragen. Die Gussformhälfte 120 der Spritzgussmaschine weist eine gewünschte Form einer Schaufelblatthälfte auf, die mit Toleranzen für die Schrumpfung und Verwölbung in der Gussform geformt ist. Der Kern 22 wird in einer vorbestimmten Position in der Gussformhälfte getragen, wie in Fig. 5 gezeigt. Passstifte 140 in der Gussformhälfte 120 unterstützen die korrekte Anordnung des Kerns 22 in eine vorbestimmte Lage relativ zur Schaufelblattform. Eine Entlüftungsöffnung 122 verläuft vom Inneren der Gussform nach aussen.
Der Fuss 26 kann ausserhalb der Gussformhälfte 120 liegen und eine Fläche haben, die in die Gussform eingreift, um den Kern 22 relativ zur Gussform axial in Lage zu bringen.
[0033] Eine zweite Gussformhälfte 126 (Fig. 6) wird bereitgestellt. Die zweite Gussformhälfte 126 der Spritzgussmaschine weist eine gewünschte Form einer anderen Hälfte des Schaufelblatts auf, die mit Toleranzen für die Schrumpfung und Verwindung in der Gussform geformt ist. Eine Entlüftungsöffnung 122 verläuft vom Inneren der Gussformhälfte 126 nach aussen. Die zweite Gussformhälfte 126 wird bewegt, um mit der Gussformhälfte 120 in Eingriff gebracht zu werden und den Kern 22 einzuschliessen.
Eine Leitung 124 ist vorgesehen, um das geschmolzene Material in den Hohlraum zu leiten, der durch die Gussformhälften 120, 126 geformt wird.
[0034] Der Schaufelblattabschnitt 24 wird dann spritzgegossen, um mindestens einen Teil des Kerns 22 zu umhüllen. Der Schaufelblattabschnitt 24 wird aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Das Kunststoffmaterial wird in der Spritzgussmaschine geschmolzen. Der geschmolzene Kunststoff wird durch die Leitung 124 in die Gussformhälften 120, 126 gepresst. Dann kühlt das Kunststoffmaterial ab und härtet aus, um die gewünschte Form zu ergeben, die durch die Hohlräume der Gussformhälften 120, 126 um den Kern 22 herum geformt wird.
[0035] Der Kern 22 weist eine Vielzahl von Hohlräumen oder Öffnungen 82 auf, die im Kern geformt sind.
Während des Spritzgussvorgangs werden die Öffnungen 82 mit dem geschmolzenen Kunststoffmaterial des Schaufelblattabschnitts 24 gefüllt. Dies hält den Schaufelblattabschnitt 24 in eine Position relativ zum Kern 22 zurück.
[0036] In der Beschreibung werden spezifische Ausdrücke benutzt. Die spezifischen Ausdrücke sollen nur repräsentativ und beschreibend und nicht einschränkend sein. Die Erfindung wurde in Bezug auf mindestens einen Aspekt beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf den offenbarten Aspekt. Modifikationen und andere Aspekte sind im Umfang der beiliegenden Ansprüche eingeschlossen.
The invention relates generally to turbomachinery equipment. In particular, the invention relates to a turbomachinery airfoil having components made of different materials.
Turbomachinery equipment can take many forms or be used in various applications. These forms and applications may include steam turbines for power generation, gas turbines for power generation, gas turbines for aircraft propulsion and wind turbines for power generation.
In a gas turbine, there are typically numerous rotating blades and stationary vanes. The blades and vanes are arranged in the circumferential direction in alternating groups spaced longitudinally along the turbine.
Each of the blades and vanes has an airfoil portion attached to a mounting portion.
A conventional gas or steam turbine blade or vane design typically has an airfoil portion made entirely of a metal alloy, such as aluminum. Titanium, aluminum or stainless steel. The conventional gas or steam turbine blade or vane design may also be made entirely of a composite material such as fiber reinforced plastic. The all-metal vanes are relatively heavy, resulting in less fuel savings and may require robust mounting sections.
In a gas turbine application, the lighter composite blades are susceptible to damage and wear by ingested debris.
Known hybrid blades have a composite airfoil portion with a metal leading edge to protect the airfoil against wear and impact of ingested foreign matter. The first stage gas turbine blades are typically the largest and heaviest blades and generally the first to be exposed to captured debris. Composite blades have typically been used in turbine applications where weight is an important criterion.
In a typical gas turbine compressor airfoil, the overall geometry is a compromise between the structural and aerodynamic requirements.
The structural requirements and ability to resist damage due to ingested debris are in direct conflict with airfoil geometry optimized for aerodynamic performance. For example, an aerodynamically desirable airfoil is relatively thin with a relatively sharp leading edge. In contrast, a structurally desirable airfoil is relatively thick with a robust leading edge. The final design typically represents a compromise between the conflicting structural and aerodynamic requirements, neither of which is optimal.
Current methods of manufacturing an all-metal airfoil require manual milling and polishing of the airfoil to achieve the desired geometry.
The polishing process to obtain critical airfoil dimensions and surface textures is labor intensive. This requires the use of materials that can be easily machined and polished to minimize costs. This typically limits material selection and increases manufacturing costs.
During operation of a gas turbine for power generation, dirt and debris may accumulate on the airfoil surface, which may result in loss of design performance. Typically, water rinse is used to remove this accumulated dirt and debris. This rinse can erode and corrode the metal material of the airfoil.
The gap on the compressor airfoil tips is typically not optimized to eliminate the possibility of rubbing the rotor blade tips against the housing or rubbing the stator blade tips against the rotor.
Therefore, a need exists for an improved turbine blade for a gas turbine blade that is lighter than an all-metal airfoil, has desirable structural and aerodynamic properties, resists debris received, is cost effective, and is resistant to erosion and corrosion.
Brief description of the invention
A method of manufacturing a composite airfoil according to one aspect of the invention comprises the step of providing a core made of a metal or ceramic material.
A plastic airfoil section is molded to envelop at least a portion of the core.
Another aspect of the invention is a method of making a composite airfoil. The method comprises the step of providing a core consisting of a metal or ceramic material. The core is provided with a leading edge. A plastic airfoil section is shaped to envelop at least the leading edge of the core.
Another aspect of the invention is a method of making a composite airfoil. The method includes the step of forming a metal core by die casting, model casting or forging.
A plastic airfoil is injection molded to envelop at least a portion of the core.
Brief description of the drawings
These and other features, aspects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings, in which:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a perspective view of a composite airfoil according to an aspect of the invention, with an internal component represented by dashed lines;
<Tb> FIG. Figure 2 is an exploded view of the assembled airfoil shown in Figure 1; and
<Tb> FIG. Fig. 3 <sep> is a cross-sectional view of the assembled airfoil of Fig. 1 taken along line 3-3 in Fig. 1;
<Tb> FIG. Figure 4 is a perspective view of a mold half according to another aspect of the invention;
<Tb> FIG. Fig. 5 is a perspective view of another mold half with the airfoil received therein; and
<Tb> FIG. FIG. 6 is a perspective view of the mold halves shown in FIGS. 4 and 5 enclosing the assembled airfoil. FIG.
Detailed description of the invention
In Fig. 1, a composite airfoil 20 is shown as part of a gas turbine blade 10 used in an electric power application according to one aspect of the invention. It is understood that the composite airfoil 20 of the blade 10 in various aspects of the invention may be in the form of a compressor blade, vane, or turbine blade and may be used in steam turbine, gas turbine, or wind turbine applications.
The composite airfoil 20 of the blade 10, in one aspect, has a core 22 and a plastic airfoil portion 24 that completely envelopes and encases the core.
The composite airfoil 20 is uniquely composed of at least two different materials. As used herein, "assembled" means the finished airfoil portion 24 formed from synthetic stock material that sits on a relatively strong structural material (such as metal or ceramic) that forms the core 22.
The term "plastic" means a material that is fusible at a temperature that is relatively lower than the melting point of the material of the core 22, allowing it to flow and be easily brought to a desired final shape.
A foot 26 is connected to the core 22 and is used to mount the blade for operation on the turbine structure. The foot 26 may be joined to the core by integrally forming the core and foot as a one-piece subcomponent, such as a single component. by forging or working from a raw material piece e.g. made of metal or ceramic. Alternatively, the core 22 and foot 26 may be manufactured separately, and the core may be attached, welded or otherwise connected to the foot.
A tip 40 is located at the end of the composite airfoil 20 which is axially opposed to the foot 26. An axis A extends from the root 26 to the tip 40 in a longitudinal direction of the composite airfoil 20. Herein, the "axis" A refers to a reference axis and not to a physical part of the blade 10 or the composite airfoil 20.
In accordance with one aspect of the invention, the blade 10 and the composite airfoil 20 are configured to operate at the typical temperature to which the first stages of a turbine compressor may be subjected.
In a gas turbine power generation application, the "design operating temperature" is the maximum temperature that the bucket 10 and the airfoil section 24 are likely to be exposed to in the first stages of a compressor during normal operation. An example of a typical gas turbine design operating temperature in the first stages is, without limitation, generally in the range of 18 deg. C up to 200 deg. C.
Media direction arrows M (in Fig. 3) indicate the general flow direction. Medium M typically contains air in a gas turbine application. The medium M in a gas turbine power plant application is typically controlled.
That is, medium M passes through an inlet filter to remove many of the debris, can be cooled or heated to a desired temperature range, and passed through the structure to remove moisture and salt.
In a compressor blade application of a gas turbine for the composite airfoil 20, the foot 26 typically includes a dovetail portion 42 (Figures 1-2) for securing the blade 10 to a rotor disk (not shown). The airfoil portion 24 has a leading edge 44 (FIG. 3) and a trailing edge 46. The flow direction of the medium M is generally from the leading edge 44 to the trailing edge 46.
The airfoil portion 24 of the composite airfoil 20 also has a pressure side surface 62 and a suction side surface 64.
The airfoil portion 24 is a very complex area defined by a series of points at portions spaced along the axis A. The leading edge 44 and the trailing edge 46 are typically round surfaces which, in one aspect, are defined by relatively small radii. The complex surface, the leading edge 44 and the trailing edge 46 are relatively difficult to manufacture. For aerodynamic reasons, it is generally desirable to have a leading edge 44 with the smallest possible radius, e.g. 0.010 inches, which previously was not practical.
It is also desirable to obtain a very smooth and precise end shape for the airfoil section 24 which does not require molding, polishing or coating, which previously was not practical. The foregoing disadvantages are overcome if it is possible to mold a plastic airfoil section 24 in its final shape or near final molding.
Preferably, the airfoil portion completely surrounds the core 22. In one aspect of the invention, the composite airfoil 20 is the plastic airfoil portion 24 that envelops at least a portion of the metal or ceramic core 22. However, it is understood that the core 22 need not be completely enveloped by the airfoil portion 24 and that the core may be partially covered according to another aspect of the invention.
The plastic airfoil section 24 is molded onto at least a portion of the core 22 without the need for fiber reinforcement, preferably by injection molding. The injection molding process is capable of forming precise and accurate portions of the airfoil portion 24, such as e.g. the pressure-side surface 62, the suction-side surface 64, the leading edge 44 and the trailing edge 46.
With the multi-part design, the internal geometry of the blade 10 in the form of the core 22 can be optimized for frequency tuning and for structural requirements.
The outer surface may be tailored in the form of the injection molded plastic airfoil section 24 for aerodynamic performance.
In an exemplary aspect, the core 22 has a plurality of openings 82 extending therethrough between the pressure-side surface 62 and the suction-side surface 64 of the airfoil section 24. The apertures 82 lie in portions of the core 22 which do not require a continuous solid structure for strength or function. The apertures 82 facilitate the core 22 for a lower rotating mass, which is generally a desirable feature. The openings 82 receive a portion 84 of the plastic material of the airfoil section 24 during the injection molding process to retain the airfoil section relative to the core 22.
The apertures 82 need not pass entirely through the core 22 but are deep enough to receive the portion 84 of plastic material. The portion 84 of plastic material need not completely fill the opening 82, but extends far enough into the opening to retain the airfoil portion 24 relative to the core 22.
The core 22 has a tip portion 100 (FIG. 2). The core 22 has a leading edge 102 (FIGS. 2 and 3) and a trailing edge 104. The tip 28 of the airfoil portion encloses the tip portion 100 of the core 22. The airfoil portion 24 envelops at least the leading edge 102 of the core 22 and preferably the entire outer surface of the core including the trailing edge 104.
The airfoil section 24 has a thickness t at a location remote from the openings 82 (FIG. in the range of 0.020 to 0.100 inches, with which it covers the core 22 away from the openings 82. The thickness does not have to be uniform. The thickness t may gradually increase from one or both edges 44, 46 toward the center of the blade 10. The depth of the opening 82 is preferably greater than the thickness t of the airfoil section 24 covering the core 22.
By manufacturing the airfoil section 24 from plastic, the endform of the airfoil desired for aerodynamic performance may be incorporated, and preferably without requiring molding machines, polishing or coating.
Because the airfoil section 24 is separated from the inner load-bearing structure of the core 22, a design that is more tolerant to damage from ingested foreign matter is also possible. This separation of the load bearing structure of the core 22 from the airfoil section 24 also increases the number of material options available for making the core to maximize structural properties and minimize weight.
By separating the structural and aerodynamic components of the design of the blade 10, a number of cost saving opportunities arise. Tight manufacturing tolerances are no longer required on the inner load-bearing structure, which now allows the use of nickel or ceramic materials for the core 22.
The higher modulus materials can provide comparable stiffness with less mass, thereby reducing the overall weight of the blade 10. This also opens up opportunities for model casting, die casting or forging core 22 with limited machining. By injection molding the plastic airfoil section 24 to obtain the final aerodynamic shape, the entire hand polishing process of the previous all-metal blade configurations may be eliminated.
Injection molding of the plastic airfoil section 24 also provides a very uniform airfoil shape with excellent surface finish, eliminating the need for surface treatments after polishing.
Producing a smooth surface for the plastic airfoil section 24 by injection molding reduces the accumulation of debris on the blade 10. This reduces the need for frequent flushes of water. The material for the plastic airfoil section 24 is inherently corrosion resistant.
In addition, additives such as PTFE may be added to the airfoil section 24 to improve the rejection of foreign matter buildup on the airfoil section.
By injection molding the tip 28 of the plastic airfoil section 24, the distances to the other turbine components can be kept narrower. If the plastic rubs against another turbine component, this is a benign event and does not jeopardize the structural components of the blade 10 or turbine. With the composite airfoil 20, the compressor nips can be made tighter for increased performance without the need to provide abradable surfaces or a frictional coating.
The technical advantages are numerous.
The composite airfoil 20 provides the ability to provide more damage tolerant and optimized airfoil sections 24 and a structurally optimized core 22. In addition, the ability to optimize the aerodynamic geometry of the airfoil section 24 results in increased performance of the gas turbine. The reduction in compressor fouling of the airfoil section 24 reduces the degree of power reduction. There are also significant opportunities to reduce manufacturing costs.
The composite airfoil 20 of the blade 10 thus ensures by the injection-molded plastic airfoil section 24 an optimal aerodynamic shape and through the core 22, the desired structural properties.
The plastic material of the airfoil section 24 may be any suitable plastic material. The plastic material is chosen to withstand the design operating temperature of the particular turbine stage in which it is to operate. For example, the first stage of a gas turbine compressor is operated at ambient air temperatures and at low pressures compared to other later stages of the compressor.
The blade 10 may be made according to another aspect of the invention. The blade 10 is made from the composite airfoil 20 by first forming the metal core 22 by die casting, model casting or forging. The core 22 may also be made of a ceramic material that is molded into its final shape.
The core 22 is formed in its end configuration with the foot 26 and the dovetail portion 42.
The core 22 is then carried in a mold half 120 (Figure 4) of an injection molding machine (not shown). The mold half 120 of the injection molding machine has a desired shape of a blade half formed with tolerances for shrinkage and warpage in the mold. The core 22 is carried in a predetermined position in the mold half as shown in FIG. Dowel pins 140 in the mold half 120 assist in the proper placement of the core 22 in a predetermined position relative to the airfoil mold. A vent 122 extends outwardly from the interior of the mold.
The foot 26 may be external to the mold half 120 and have a surface which engages the mold to axially position the core 22 relative to the mold.
A second mold half 126 (Figure 6) is provided. The second mold half 126 of the injection molding machine has a desired shape of another half of the airfoil formed with tolerances for shrinkage and distortion in the mold. A vent 122 extends from the interior of the mold half 126 to the outside. The second mold half 126 is moved to be engaged with the mold half 120 and to enclose the core 22.
A conduit 124 is provided to direct the molten material into the cavity formed by the mold halves 120, 126.
The airfoil section 24 is then injection molded to envelop at least a portion of the core 22. The airfoil section 24 is made of a plastic material. The plastic material is melted in the injection molding machine. The molten plastic is pressed through the conduit 124 into the mold halves 120,126. Then, the plastic material cools and cures to give the desired shape that is formed around the core 22 through the cavities of the mold halves 120, 126.
The core 22 has a plurality of cavities or openings 82 formed in the core.
During the injection molding process, the openings 82 are filled with the molten plastic material of the airfoil section 24. This retains the airfoil section 24 in a position relative to the core 22.
In the description, specific terms are used. The specific terms are intended to be representative and descriptive rather than limiting. The invention has been described in terms of at least one aspect. The invention is not limited to the disclosed aspect. Modifications and other aspects are included within the scope of the appended claims.