Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Gasturbinen werden zur Steigerung des Wirkungsgrades für immer höhere Betriebstemperaturen ausgelegt. Besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt sind dabei vor allem die Bauteile bzw. Bauelemente im Bereich der Brennkammer sowie die Lauf- und Leitschaufeln der nachfolgenden Turbine einschliesslich der übrigen, den Heissgaskanal begrenzenden Elemente. Die auftretenden thermischen Belastungen lassen sich wirkungsvoll begegnen, wenn einerseits besonders widerstandsfähige Werkstoffe, wie z.B. Nickelbasislegierungen, eingesetzt werden. Andererseits müssen zusätzlich Massnahmen zur Kühlung der Bauelemente ergriffen werden, wobei unterschiedliche Kühlungsmethoden, wie z.B. die Filmkühlung oder die Prallkühlung, Anwendung finden.
[0003] Aus der EP-A2-1 138 878 ist ein plattenförmiger, auskragender Bauteilabschnitt einer Gasturbine bekannt, dessen eine Seite vom Heissgas der Gasturbine beaufschlagt wird, und der in der Plattenebene von Kühlversorgungskanälen durchsetzt ist (Fig. 1 und 2 der Druckschrift), die von einem grösseren Plenum im Inneren des Bauteils ausgehen und mit Kühlluft versorgt werden, und von denen eine Vielzahl von Kühlbohrungen abgehen, die an der Oberfläche des Bauteilabschnitts in den Aussenraum münden und durch die Kühlluft zur Filmkühlung der Oberfläche nach aussen abgeblasen wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil eine Leitschaufel einer Gasturbine und der Bauteilabschnitt ist eine an der Schaufel angeformte, den Heissgaskanal der Turbine begrenzende Plattform.
[0004] Eine entsprechende Bauteilkonfiguration ist in Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben: Die Leitschaufel 10 der Fig. 1, die nur ausschnittweise dargestellt ist, umfasst ein Schaufelblatt 11, das am einen Ende in eine quer zur Schaufellängsrichtung orientierte Plattform 12 übergeht. Im eingebauten Zustand ist die Oberseite dieser Plattform 12 vom Heissgas der Turbine beaufschlagt, das in Richtung des Pfeils von einer Vorderkante 13 der Schaufel am Schaufelblatt 11 entlang zu einer Hinterkante 14 strömt.
[0005] Die Plattform 12 wird im Beispiel der Fig. 1überwiegend durch eine Filmkühlung gekühlt, bei der über die belastete Oberfläche der Plattform 12 verteilt Kühlluft nach aussen abgeblasen wird und auf der Oberfläche einen kühlenden Film bildet. Dazu sind beispielsweise in Strömungsrichtung gestaffelt mehrere Reihen von schräg verlaufenden Kühlbohrungen 17 vorgesehen, deren Auslässe 18 auf der Oberfläche der Plattform 12 angeordnet sind. Die Kühlbohrungen 17 werden reihenweise über quer dazu verlaufende (in Fig. 1 gestrichelt angedeutete) Kühlversorgungskanäle 15 mit unter Druck stehender Kühlluft versorgt, die aus einem im Inneren der Schaufel befindlichen, in Fig. 1nicht dargestellten Plenum entnommen wird.
[0006] Nach Angaben der Druckschrift werden die Kühlversorgungskanäle 15 nachträglich durch ein Funkenerosionsverfahren (EDM oder Electrical Discharge Machining) in das fertige Gussstück eingebracht. Hierdurch entsteht jedoch ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand, der Zeit kostet und zusätzliche Kosten verursacht.
Darstellung der Erfindung
[0007] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines eingangs genannten gekühlten Bauteils einer Gasturbine anzugeben, welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und sich unter anderem durch erhebliche Zeit- und Kostenvorteile auszeichnet.
[0008] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass nicht nur das Bauteil in seiner Basiskonfiguration, sondern auch die Kühlversorgungskanäle giesstechnisch hergestellt werden.
[0009] Hierbei kann auf unterschiedliche Weise vorgegangen werden: In einem Fall werden die Kühlversorgungskanäle direkt in ihrer endgültigen Geometrie giesstechnisch hergestellt. Im anderen Fall werden die Kühlversorgungskanäle zunächst mit einem kleineren Querschnitt giesstechnisch hergestellt und anschliessend durch maschinelle Bearbeitung mit einem Werkzeug auf ihre endgültige Querschnittsgeometrie gebracht. Im letztgenannten Fall lassen sich so Korrekturen vornehmen und genaue Einstellungen an den Kühlluftströmen erzielen.
[0010] Vorzugsweise ist das Bauteil, welches nach diesem Verfahren hergestellt wird, eine mit einer Plattform ausgestattete Leitschaufel der Gasturbine. Das Bauteil kann aber auch ein mit einer Plattform ausgestattetes Hitzeschild der Gasturbine sein.
Kurze Erläuterung der Figuren
[0011] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt einer beispielhaften Gasturbinen-Leitschaufel, wie sie zur Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist;
<tb>Fig. 2<sep>in der Draufsicht von oben die Leitschaufel aus Fig. 1, bei der die Kühlversorgungskanäle gemäss der Erfindung durch den Einsatz von entsprechenden Kernabschnitten giesstechnisch erzeugt werden; und
<tb>Fig. 3<sep>schematisch die nachträgliche maschinelle Nachbearbeitung der giesstechnisch hergestellten Kühlversorgungskanäle gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0012] Die Erfindung soll am Beispiel der in Fig. 1im Ausschnitt dargestellten Leitschaufel 10 einer Gasturbine erläutert werden, wie sie eingangs bereits beschrieben worden ist. Wesentlich für die Kühlung der Plattform 12 der Leitschaufel 10 sind die in der Plattform 12 verlaufenden Kühlversorgungskanäle 15, durch die im Betrieb Kühlluft zu den für die Filmkühlung notwendigen Kühlbohrungen geführt wird. Die Kühlversorgungskanäle 15 können seitlich offen sein, wie dies in Fig. 1gezeigt ist. Sie können aber auch an den Enden nachträglich verschlossen werden, wenn eine kühltechnische Verbindung mit benachbarten Bauteilen nicht erwünscht ist.
[0013] Die Kühlversorgungskanäle 15 werden nun gemäss der Erfindung in ihrer Grundkonfiguration giesstechnisch hergestellt, in dem der zur Ausbildung der Hohlräume im Inneren der Schaufel ohnehin benötigte Kern durch die in Fig. 2schraffiert angedeuteten Kernabschnitte 16 erweitert wird. Im einfachsten Fall werden dadurch Kühlversorgungskanäle 15a erzeugt, deren Durchmesser d1 bzw. deren Querschnittsflächen bereits das endgültige Mass aufweisen, und deshalb nicht weiter nachbearbeitet werden müssen. Auf diese Weise kann ein erheblicher Aufwand an Zeit und Arbeit vermieden werden, mit dem ein nachträgliches Einbringen der Kühlversorgungskanäle (z. B. durch EDM) in das gusstechnisch fertig gestellte Bauteil verbunden ist.
[0014] Es ist aber auch denkbar, gemäss Fig. 2die Kühlversorgungskanäle 15a zunächst mit einem kleineren Durchmesser d1 bzw. einer kleineren Querschnittsfläche und Verlauf giesstechnisch herzustellen, und dann die Kanäle gemäss Fig. 3mit einem geeigneten Werkzeug 19 nachzubearbeiten, so dass schliesslich Kühlversorgungskanäle 15 mit dem gewünschten grösseren Durchmesser d2 bzw. einer grösseren Querschnittsfläche resp. mit einem gezielt erwünschten Verlauf entstehen. Diese maschinelle Nachbearbeitung kann gleichzeitig dazu benutzt werden, um Korrekturen durchzuführen, wenn die Strömungsverhältnisse im Inneren des Bauteils einen anderen als den ursprünglich geplanten Querschnitt resp. Verlauf erfordern.
Es ist also hier deshalb ohne weiteres möglich, den Querschnitt und den Verlauf der Kühlversorgungskanäle, ausserhalb der giesstechnischen Möglichkeiten, individuell zu gestalten resp. anzupassen.
[0015] Insgesamt wird die Herstellung des Bauteils weniger aufwändig ausfallen, weil der Prozessschritt, mit dem die Kühlversorgungskanäle nach dem Giessen in die Plattform eingebracht werden, vollständig eingespart bzw. durch eine weniger aufwändige maschinelle Nachbearbeitung ersetzt werden kann.
Bezugszeichenliste
[0016]
<tb>10<sep>Leitschaufel (Gasturbine)
<tb>11<sep>Schaufelblatt
<tb>12<sep>Plattform
<tb>13<sep>Vorderkante
<tb>14<sep>Hinterkante
<tb>15<sep>Kühlversorgungskanal
<tb>15a<sep>Kühlversorgungskanal (wie gegossen)
<tb>16<sep>Kernabschnitt
<tb>17<sep>Kühlbohrung
<tb>18<sep>Auslass (Kühlbohrung)
<tb>19<sep>Werkzeug
Technical area
The present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a method for producing a component of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
State of the art
Gas turbines are designed to increase the efficiency for ever higher operating temperatures. Particularly exposed to thermal stresses are mainly the components or components in the combustion chamber and the running and vanes of the following turbine including the other, the hot gas channel limiting elements. The occurring thermal loads can be effectively countered if, on the one hand, particularly resistant materials, such as Nickel-based alloys are used. On the other hand, additional measures must be taken to cool the components, wherein different cooling methods, such as. the film cooling or the impingement cooling, find application.
From EP-A2-1 138 878 a plate-shaped, projecting component portion of a gas turbine is known, one side of which is acted upon by the hot gas of the gas turbine, and which is interspersed in the plate plane of cooling supply channels (Figs. 1 and 2 of the document) , which emanate from a larger plenum inside the component and are supplied with cooling air, and from which depart a plurality of cooling holes, which open at the surface of the component portion in the outer space and is blown off by the cooling air for film cooling of the surface to the outside. In the illustrated embodiment, the component is a guide vane of a gas turbine and the component portion is formed on the blade, the hot gas channel of the turbine limiting platform.
A corresponding component configuration is shown in Fig. 1 of the present application: The vane 10 of Fig. 1, which is only partially shown, comprises an airfoil 11, which merges at one end into a transverse to the blade longitudinal direction platform 12. When installed, the upper side of this platform 12 is acted upon by the hot gas of the turbine, which flows in the direction of the arrow from a front edge 13 of the blade along the blade 11 to a trailing edge 14.
The platform 12 is cooled in the example of FIG. 1 predominantly by a film cooling, in which distributed over the loaded surface of the platform 12 cooling air is blown to the outside and forms a cooling film on the surface. For this purpose, for example, staggered in the flow direction, a plurality of rows of obliquely extending cooling holes 17 are provided, the outlets 18 are arranged on the surface of the platform 12. The cooling bores 17 are supplied in rows by means of cooling supply channels 15 extending transversely thereto (indicated by broken lines in FIG. 1) with pressurized cooling air which is taken from a plenum located in the interior of the blade and not shown in FIG.
According to the document, the cooling supply channels 15 are subsequently introduced by a spark erosion process (EDM or Electrical Discharge Machining) in the finished casting. However, this results in a considerable manufacturing effort, which costs time and incurs additional costs.
Presentation of the invention
The invention seeks to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a method for producing a chilled component of a gas turbine mentioned above, which avoids the disadvantages of the known methods and is characterized, inter alia, by considerable time and cost advantages.
The object is solved by the totality of the features of claim 1. Essential for the invention is that not only the component in its basic configuration, but also the cooling supply channels are produced by casting.
This can be done in different ways: In one case, the cooling supply channels are produced directly in terms of casting technology in their final geometry. In the other case, the cooling supply channels are first manufactured by casting with a smaller cross-section and then brought by machining with a tool to its final cross-sectional geometry. In the latter case, corrections can be made and precise adjustments made to the cooling air flows.
Preferably, the component, which is produced by this method, a equipped with a platform guide vane of the gas turbine. The component may also be a heat shield of the gas turbine equipped with a platform.
Brief explanation of the figures
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. All elements not necessary for the immediate understanding of the invention have been omitted. The same elements are provided in the various figures with the same reference numerals. It shows:
<Tb> FIG. Fig. 1 is a perspective view of a portion of an exemplary gas turbine nozzle suitable for use in the method of the invention;
<Tb> FIG. 2 <sep> in plan view from above the guide vane from FIG. 1, in which the cooling supply ducts according to the invention are produced by the use of corresponding core sections by casting; and
<Tb> FIG. 3 schematically shows the subsequent mechanical post-processing of the casting technology-produced cooling supply channels according to an exemplary embodiment of the invention.
Ways to carry out the invention
The invention will be explained using the example of the guide vane 10 shown in Fig. 1 in detail of a gas turbine, as it has already been described. Essential for the cooling of the platform 12 of the guide vane 10 extending in the platform 12 cooling supply channels 15 through which cooling air during operation to the cooling holes necessary for the film cooling is performed. The cooling supply channels 15 may be laterally open, as shown in Fig. 1. But they can also be closed at the ends later, if a cooling connection with adjacent components is not desirable.
The cooling supply channels 15 are now prepared according to the invention in their basic configuration by casting, in which the core required to form the cavities in the interior of the blade anyway by the in Fig. 2 hatched indicated core portions 16 is extended. In the simplest case, cooling supply channels 15a are thereby produced whose diameter d1 or their cross-sectional areas already have the final dimension, and therefore do not have to be further processed. In this way, a considerable expenditure of time and work can be avoided, with which a subsequent introduction of the cooling supply channels (eg, by EDM) is connected to the component which has been finished by casting.
However, it is also conceivable, according to FIG. 2, firstly to produce the cooling supply channels 15a with a smaller diameter d1 or a smaller cross-sectional area and shape, and then to rework the channels according to FIG. 3 with a suitable tool 19 so that finally cooling supply channels 15 with the desired larger diameter d2 or a larger cross-sectional area resp. arise with a deliberately desired course. This mechanical post-processing can be used simultaneously to make corrections when the flow conditions inside the component other than the originally planned cross-section respectively. Require course.
Therefore, it is therefore easily possible here, the cross-section and the course of the cooling supply channels, outside the casting capabilities, individually to make resp. adapt.
Overall, the production of the component will be less expensive, because the process step, with which the cooling supply channels are introduced after casting in the platform, can be completely saved or replaced by a less complex machine post-processing.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0016]
<tb> 10 <sep> Guide vane (gas turbine)
<Tb> 11 <sep> blade
<Tb> 12 <sep> Platform
<Tb> 13 <sep> leading edge
<Tb> 14 <sep> trailing edge
<Tb> 15 <sep> cooling supply channel
<tb> 15a <sep> Cooling Supply Channel (as cast)
<Tb> 16 <sep> core section
<Tb> 17 <sep> cooling hole
<tb> 18 <sep> outlet (cooling hole)
<Tb> 19 <sep> Tools