CH706090A1 - Verfahren zum Herstellen eines oberflächennahen Kühlkanals in einem thermisch hoch beanspruchten Bauteil sowie Bauteil mit einem solchen Kanal. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächennahen Kühlkanals (17) in einem thermisch hoch beanspruchten Bauteil (14), welches die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Bauteils (14), welches auf einer Heissseite in einem zu kühlenden Bereich eine Oberfläche (18) aufweist; b) Einlassen einer Rinne (19) in die Oberfläche (18); c) Einlegen eines Kühlrohrs (20) in die Rinne (19); d) Auffüllen der Rinne (19) mit dem eingelegten Kühlrohr (20) mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial (21), derart, dass das eingelegte Kühlrohr (20) unter Freilassen eines Einlasses (17i) und eines Auslasses (17o) in das Füllmaterial (21) eingebettet ist; und e) Abdecken der Rinne (19) mit dem eingebetteten Kühlrohr (20) mit einer oxidationshemmenden, temperaturstabilen Deckschicht (22). Das Verfahren ist kostengünstig und lässt sich flexibel in den unterschiedlichsten Situationen anwenden, um Kühlmedium einzusparen bzw. die thermische Belastung herabzusetzen.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft Verfahren zum Herstellen eines oberflächennahen Kühlkanals in einem thermisch hoch beanspruchten Bauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil.

Stand der Technik

[0002] Bei thermischen Maschinen werden seit jeher möglichst hohe Wirkungsgrade angestrebt, um die eingesetzten Brennstoffe noch effektiver zur Energieerzeugung heranzuziehen. Bei Gasturbinen hat man beispielsweise Wirkungsgrade von 63% im Visier, wofür höhere Verbrennungstemperaturen im Bereich von 1850K erforderlich wären. Um diese zu erreichen, müssen thermisch hoch belastete Bauteile der Maschine mittels komplexer Kühlvorrichtungen und -konfigurationen gekühlt werden. Aufgrund der zunehmenden Komplexität nehmen die Probleme bei der Herstellung solcher Bauteile zu und führen zu hohen Ausschussraten.

[0003] Bei Gasturbinen können aufgrund eines ungleichmässigen Profils der Brennkammer-Austrittstemperatur kritische heisse Zonen in den nachfolgend angeordneten Bauteilen wie Leit- oder Laufschaufeln oder Wandelementen des Heissgaskanals auftreten, die eine lokale Überhitzung zur Folge haben, so dass bei derartigen Bauteilen in Zukunft mit Arbeitstemperaturen zu rechnen ist, die etwa 80–130K höher sind als die Heissgastemperatur.

[0004] Aus diesem Grund wird bei Gasturbinen und vergleichbaren thermischen Maschinen eine sehr wirkungsvolle lokale Kühlung der thermisch hoch belasteten Bauteile benötigt.

[0005] Eine mögliche Richtung, in die sich eine solche wirkungsvolle lokale Kühlung entwickeln kann, ist die oberflächennahe oder wandnahe Kühlung, die in zwei Varianten in Fig. 1 und 2dargestellt ist. Das (im Beispiel rohrförmige) Bauteil 10 ́ aus Fig. 1weist eine Wand 11 mit einer Wanddicke t auf, die beispielsweise 4 mm beträgt. Von aussen wird das Bauteil 10 ́ mit Heissgas beaufschlagt (Blockpfeil). Der Innenraum 12 des Bauteils 10 ́ wird von Kühlmedium, zumeist Luft oder Dampf, durchströmt, welches die von aussen eingetragene Wärme aus der Wand 11 zumindest teilweise abführt.

[0006] Eine verbesserte alternative Kühlkonfiguration ist in Fig. 2 für das Bauteil 10 wiedergegeben. Hier verlaufen direkt in der Wand 11 parallele, von Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle 13 mit einem Innendurchmesser d1 von z.B. 1 mm, die von der äusseren Oberfläche der Wand 11 nur noch einen Abstand d2 von z.B. 0,5 mm haben.

[0007] Ein Übergang von der Konfiguration in Fig. 1zur Konfiguration der Fig. 2 ermöglicht wegen des verringerten Abstands zwischen Kühlmedium und Heissgas eine Verringerung des Kühlmediummassenstroms um 40–55% oder eine Erhöhung der Heissgastemperaturen um 50–125K.

[0008] Eine solche Konfiguration kann bei Bauteilen mit Effusionskühlung auf folgende Weise erreicht werden: Ausgegangen wird von einem Bauteil, das gemäss Fig. 3eine effusionsgekühlte Bauteilwand 14 ́ (mit einer Wanddicke von z.B. 2,0 mm–5,3 mm) aufweist, durch die hindurch schräge Kühlbohrungen 15 (mit einem Innendurchmesser von z.B. 0,8 mm) von einer Kühlseite CS der Bauteilwand 14 ́ zu einer Heissseite HS verlaufen, durch die Kühlmedium 16 strömt und an der thermisch belasteten Oberfläche 18 austritt.

[0009] Bei einem Bauteil gemäss Fig. 4mit einer vergleichbaren Bauteilwand 14 werden statt der Kühlbohrungen 15 Kühlkanäle 17 in der Bauteilwand 14 ausgebildet, die bei einem Innendurchmesser von z.B. 1,0 mm mehrere Kanalabschnitte 17a, 17b und 17c umfassen. Der erste Kanalabschnitt 17a erstreckt sich vom Einlass auf der Kühlseite CS aus in das Innere der Bauteilwand 14. An den ersten Kanalabschnitt 17a schliesst sich ein zweiter Kanalabschnitt 17b an, welcher (nach Art der Kühlkanäle 13 in Fig. 2) im Wesentlichen parallel (mit einem Abstand von z.B. 0,6 mm) zur zu kühlenden Oberfläche 18 verläuft. An den zweiten Kanalabschnitt 17b schliesst sich dann ein dritter Kanalabschnitt 17c an, welcher in einem Auslass auf der Heissseite HS endet. Der erste und dritte Kanalabschnitt 17a und 17c sind dabei (ähnlich wie die Kühlbohrungen 15 in Fig. 3) schräg zur Oberfläche 18 orientiert.

[0010] Eine Kühlkonfiguration der in Fig. 4dargestellten Art würde als oberflächennahe bzw. wandnahe Kühlung erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Kühlkonfigurationen bringen.

[0011] Problematisch ist eine solche Kühlkonfiguration jedoch in Bezug auf die herstellungstechnischen Schwierigkeiten, die zu hohen Kosten und Ausschussraten führen.

[0012] Es ist zwar denkbar, derartige Kühlkonfigurationen durch Giessverfahren in der Hohlkerntechnik zu verwirklichen. Hierbei wird nach dem Guss des Bauteils der das Netzwerk von internen Kühlkanälen bildende Kern entfernt. Die verbleibenden Hohlräume bilden die Kanäle. Obgleich dieser Weg produktionstechnisch gangbar ist, ist er aufgrund der Komplexität teuer und mit hohen Ausschussraten behaftet. Darüber hinaus kann ein Bauteil mit dieser Technologie nicht überarbeitet oder nachträglich verändert werden.

Darstellung der Erfindung

[0013] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung von oberflächennahen Kühlkanälen für thermisch belastete Bauteile einer thermischen Maschine, insbesondere einer Gasturbine, anzugeben, welches sich auf unterschiedliche Bauteile anwenden lässt, mit vergleichsweise geringem Aufwand und geringem Ausschuss – auch an bereits vorhandenen Bauteilen nachträglich – durchzuführen ist und Bauteile mit erheblich verbesserter Kühlwirkung und entsprechend erhöhter Lebensdauer ergibt.

[0014] Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Bauteil anzugeben.

[0015] Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst.

[0016] Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines oberflächennahen Kühlkanals in einem thermisch hoch beanspruchten Bauteil umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils, welches auf einer Heissseite in einem zu kühlenden Bereich eine Oberfläche aufweist; b) Einlassen wenigstens einer Rinne in diese Oberfläche; c) Einlegen eines Kühlrohrs in die Rinne; d) Auffüllen der Rinne mit dem eingelegten Kühlrohr mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial, derart, dass das eingelegte Kühlrohr unter Freilassen eines Einlasses und eines Auslasses in das Füllmaterial eingebettet ist; und e) Abdecken der Rinne mit dem eingebetteten Kühlrohr mit einer oxidationshemmenden, temperaturstabilen Deckschicht.

[0017] Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (b) die Rinne im Bauteil durch ein Material abtragendes Verfahren ausgehoben wird.

[0018] Insbesondere kann dabei die Rinne durch Funkenerosion mittels einer EDM-Elektrode im Bauteil ausgehoben werden.

[0019] Vorzugsweise entspricht die EDM-Elektrode in ihrer Form der auszuhebenden Rinne.

[0020] Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Bauteilwand mit einer Heissseite und einer gegenüberliegenden Kühlseite aufweist, und dass die Rinne derart in die Bauteilwand eingebracht wird, dass sie durch die Bauteilwand hindurch von der Kühlseite zur Heissseite hin verläuft und einen Einlass auf der Kühlseite und einen Auslass auf der Heissseite aufweist.

[0021] Besonders günstig ist es dabei, wenn die Rinne und damit auch der fertige Kühlkanal einen ersten Kanalabschnitt umfasst, welcher sich vom Einlass auf der Kühlseite aus in das Innere der Bauteilwand erstreckt, einen an den ersten Kanalabschnitt anschliessenden zweiten Kanalabschnitt, welcher im Wesentlichen parallel zur zu kühlenden Oberfläche verläuft, sowie einen an den zweiten Kanalabschnitt anschliessenden dritten Kanalabschnitt, welcher im Auslass auf der Heissseite endet.

[0022] Vorzugsweise sind der erste und dritte Kanalabschnitt schräg, das heisst in einem spitzen Winkel, zur Oberfläche orientiert.

[0023] Insbesondere kann dabei der Kühlkanal einen Innendurchmesser von etwa 1 mm aufweisen und der zweite Kanalabschnitt von der zu kühlenden Oberfläche einen Abstand von kleiner oder gleich 1 mm haben.

[0024] Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne so tief in das Bauteil eingelassen ist bzw. so tief aus dem Bauteil ausgehoben wird, dass sich das eingelegte Kühlrohr, abgesehen von Einlass und Auslass, deutlich unterhalb der Oberfläche befindet.

[0025] Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne mit dem eingelegten Kühlrohr mit einem Hochtemperaturlot als Füllmaterial aufgefüllt wird.

[0026] Eine noch andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die oxidationshemmende, temperaturstabile Deckschicht durch Auftragsschweissen mittels eines Laser-Metal-Forming-Verfahrens (LMF) auf getragen wird. Vorzugsweise wird dabei die Deckschicht durch aufeinanderfolgendes Auftragen mehrerer, sich überlappender Deckschichtlagen gebildet.

[0027] Ein alternatives bevorzugtes Beschichtungsverfahren stellt thermisches Spritzen dar.

[0028] Das erfindungsgemässe thermisch hoch beanspruchte Bauteil mit einer durch eine Oberfläche begrenzten Heissseite und wenigstens einem oberflächennahen Kühlkanal ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal mit einem Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist.

[0029] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Bauteilwand mit einer Heissseite und einer gegenüberliegenden Kühlseite aufweist, und dass der Kühlluftkanal durch die Bauteilwand hindurch von der Kühlseite zur Heissseite verläuft und einen Einlass auf der Kühlseite und einen Auslass auf der Heissseite aufweist.

[0030] Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal einen ersten Kanalabschnitt umfasst, welcher sich vom Einlass auf der Kühlseite aus in das Innere der Bauteilwand erstreckt, einen an den ersten Kanalabschnitt anschliessenden zweiten Kanalabschnitt, welcher im Wesentlichen parallel zur zu kühlenden Oberfläche verläuft, sowie einen an den zweiten Kanalabschnitt anschliessenden dritten Kanalabschnitt, welcher im Auslass auf der Heissseite endet.

[0031] Insbesondere sind der erste und dritte Kanalabschnitt schräg zur Oberfläche orientiert und schliessen vorzugsweise mit der Oberflächennormalen einen Winkel von 15° bis 30°, besonders bevorzugt von etwa 18° ein.

[0032] Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal ein Kühlrohr aufweist, welches in einer in die Oberfläche eingelassenen Rinne liegt und in ein temperaturbeständiges Füllmaterial, insbesondere ein Hochtemperaturlot, eingebettet ist.

[0033] Vorzugsweise hat das Kühlrohr einen Innendurchmesser von etwa 1 mm und einen Aussendurchmesser von etwa 1,5mm, und der zweite Kanalabschnitt hat von der zu kühlenden Oberfläche einen Abstand von kleiner oder gleich 1 mm.

[0034] Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal eine Länge von etwa 20 mm aufweist.

[0035] Eine noch andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlkanäle parallel und/oder in Reihe und mit Abstand zueinander im Bauteil angeordnet sind. Dabei können die mehreren Kühlkanäle von dem Kühlmedium in gleicher oder in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Auch andere, den Kühlungserfordernissen des Bauteils optimal angepasste Kühlanordnungen mit unterschiedlich ausgerichteten oder dimensionierten Kühlkanälen sind denkbar.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0036] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>im Querschnitt ein rohrförmiges Bauteil, bei dem die thermisch belastete Wand durch im Inneren des Rohres strömendes Kühlmedium gekühlt wird; <tb>Fig. 2<sep>im Querschnitt und in einem vergrösserten Ausschnitt ein rohrförmiges Bauteil, bei dem die thermisch belastete Wand durch im Inneren der Wand verlaufende Kühlkanäle oberflächennah gekühlt wird; <tb>Fig. 3<sep>den Schnitt durch eine Bauteilwand mit Kühlkanälen für die herkömmliche Effusionskühlung; <tb>Fig. 4<sep>in einer zu Fig. 3 vergleichbaren Darstellung eine Bauteilwand mit oberflächennahen Kühlkanälen zusätzlich zur Effusionskühlung; <tb>Fig. 5<sep>in einer zu Fig. 4 vergleichbaren Darstellung eine Bauteilwand mit oberflächennahen Kühlkanälen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; <tb>Fig. 6<sep>den Schnitt durch einen Kühlkanal aus Fig. 5in der Ebene Vl–Vl; <tb>Fig. 7<sep>in photographischer Darstellung verschiedene Schritte zur Herstellung oberflächennaher Kühlkanäle in einem plattenförmigen Bauteil gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; <tb>Fig. 9<sep>in perspektivischer Seitenansicht ein Beispiel für eine bei der Erfindung einsetzbare EDM-Elektrode; <tb>Fig. 10<sep>das Einsetzen von entsprechend gebogenen Rohren in die im Bauteil ausgehobenen Rinnen gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; <tb>Fig. 11<sep>in einer zu Fig. 6 vergleichbaren Darstellung mehrere Schritte bei der Herstellung der Deckschicht mittels Auftragsschweissen (LMF) gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und <tb>Fig. 12<sep>ein Ausführungsbeispiel für ein Bauteil nach der Erfindung in Form einer Leitschaufel mit in die Vorderkante des Schaufelblattes eingebrachten Kühlkanälen gemäss der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0037] Die Erfindung offenbart eine neue Alternative zu bereits bekannten Herstellungsverfahren für oberflächennahe Kühlkonfigurationen. Statt zu versuchen, entsprechende Kühlkanäle im Basismaterial zu formen oder Kühlkanäle durch Kombination zweier oder mehr Teile zu bilden, basiert die nachfolgend erläuterte Lösung zur Herstellung oberflächennaher bzw. wandnaher Kühlkanäle auf der Einbettung vollständiger Kanäle in die Oberfläche des Bauteils.

[0038] Eine Folge von Herstellungsschritten für dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte: in einem ersten Schritt wird das Basismaterial in geeigneter Weise, insbesondere durch Ausheben einer Rinne, vorbereitet, um ein Rohr aufzunehmen, das später in die Oberfläche eingelassen wird. Die Gestalt einer solchen Rinne kann gerade sein; es sind aber auch andere Gestaltungen denkbar wie zum Beispiel Mäander-Formen, um die Kühlwirkung je nach Anwendungsfall gezielt zu optimieren.

[0039] Die Rinnen werden üblicherweise von der Heissgasseite oder Heissseite in das Bauteil bzw. die Wand eingebracht (siehe Fig. 7(a)). Es ist aber auch denkbar, sie von der anderen Seite her einzubringen, wenn dieser Ort für die verwendete Maschine zugänglich ist. Parallel zum Einbringen der Rinne(n) werden Kanaleinsätze in Form geschlossener Körper, vorzugsweise in Form von Rohren mit einem Innendurchmesser von etwa 1 mm und Aussendurchmessern von 1,5 mm bis 2,5 mm vorfabriziert. Eine runde Querschnittsform hilft bei der Minimierung der Rissbildung.

[0040] Die Rohre werden dann in die Rinnen im Bauteil bzw. der zu kühlenden Bauteilwand eingebracht (siehe Fig. 7(b) und 10). Das Einbringen von geschlossenen Formen, wie den Rohren, stellt die Stabilisierung des Schmelzbades beim späteren Auftragsschweissen der Deckschicht sicher.

[0041] Zur Fixierung der Rohre in der Rinne und zum Erreichen eines optimalen Wärmeübergangs werden die Rohre in der Rinne in ein Füllmaterial, insbesondere in Form eines Hochtemperaturlotes, eingebettet und die Oberfläche durch Schleifen geglättet(siehe Fig. 7(c)).

[0042] Schliesslich wird durch Laser Metal Forming (LMF) oder ein anderes Beschichtungsverfahren eine oxidationshemmende Deckschicht aufgebracht (siehe Fig. 7(d) und 11). Zur endgültigen thermischen Isolierung kann darüber auch noch eine Wärmeschutzschicht (Thermal Barrier Coating TBC) aufgebracht werden.

[0043] Die Enden der eingesetzten Rohre bilden einen Einlass und einen Auslass für die durchströmende Kühlluft. Es ist daher von grosser Wichtigkeit, dass diese Öffnungen während des Einbettens mit Hochtemperaturlot nicht verschlossen oder verengt werden.

[0044] Fig. 5 zeigt in einer zu Fig. 4 vergleichbaren Darstellung eine Bauteilwand mit oberflächennahen Kühlluftkanälen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 den Schnitt durch einen Kühlkanal aus Fig. 5in der Ebene Vl–Vl. Durch die Bauteilwand 14 der Fig. 5 erstreckt sich ein Kühlkanal 17, der mehrere Kanalabschnitte 17a, 17b und 17c umfasst und durch den im Betrieb Kühlmedium 16, beispielsweise Kühlluft 16, von einem Einlass 17i auf der Kühlseite zu einem Auslass 17o auf der Heissseite strömt und dort an der thermisch belasteten Oberfläche 18 austritt.

[0045] Der Kühlkanal 17 wird im Wesentlichen durch ein Kühlrohr 20 gebildet, das in eine in die Bauteilwand 14 eingebrachte Rinne 19 eingesetzt und dort in ein Füllmaterial 21 aus Hochtemperaturlot eingebettet ist. Über der (geglätteten) Schicht aus Füllmaterial 21 ist eine Deckschicht 22 aus oxidationsbeständigem Material durch LMF aufgebracht. Der Querschnitt der Anordnung ist in Fig. 6wiedergegeben. Die runde Querschnittsgeometrie des Rohres 20 ist weniger anfällig für Rissbildung.

[0046] Der Kühlkanal 17 hat keine Unterschneidungen. Der Innendurchmesser des Kühlrohres 20 beträgt z.B. 1,0 mm, der Aussendurchmesser 1,5 mm. Der mittlere Kanalabschnitt 17b verläuft parallel zur Oberfläche 18, während die Kanalabschnitte 17a und 17c mit einem Winkel von etwa 18° schräg zur Oberflächennormalen orientiert sind. Die Länge des Kühlkanals 17 beträgt in etwa 20 mm. Die Tiefe der Rinne 19 liegt im mittleren Kanalabschnitt 17b bei etwa 1,6 mm. Das Rohr 20 erstreckt sich zumindest über den mittleren Kanalabschnitt 17b und den Kanalabschnitt 17c auf der Heissseite, wie in Fig. 5 dargestellt. Es kann sich aber auch über einen Teil oder den gesamten Kanalabschnitt 17a auf der Kaltseite erstrecken.

[0047] Fig. 7 zeigt in photographischer Darstellung verschiedene Schritte (a) bis (e) zur Herstellung oberflächennaher Kühlkanäle in einem plattenförmigen Bauteil gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung. Fig. 7(a) zeigt die durch EDM in die Bauteile 23 bzw. 28 eingebrachten Rinnen 24 bzw. 29. In diese Rinnen 24, 29 werden dann gemäss Fig. 7(b) entsprechend geformte Kühlrohre 25 bzw. 30 eingesetzt (eingeschoben). Anschliessend werden die eingesetzten Rohre gemäss Fig. 7(c) in Hochtemperaturlot eingebettet und die Oberfläche im Bereich der aufgefüllten Rinnen glatt geschliffen. Deutlich sichtbar sind die verbleibenden Auslässe 26 bzw. 31 der Kühlkanäle. Schliesslich wird gemäss Fig. 7(d) per LMF in überlappenden Bahnen eine oxidationsbeständige Deckschicht 27 bzw. 32 aus geeignetem Material aufgebracht.

[0048] Für das Einbringen der Rinnen (19 in Fig. 5, 6) in die Oberfläche des Bauteils wird eine EDM-Elektrode 33 gemäss Fig. 9 verwendet, die mehrere Elektrodenabschnitte 33a–c aufweist, die den späteren Kanalabschnitten 17a–c entsprechen. Mit einer solchen Elektrode werden durch Senkerodieren die Rinnen ausgehoben. Entsprechend der drei Abschnitte umfassenden Konfiguration der Rinnen 35 in einem Bauteil 34 sind gemäss Fig. 10 auch die einzusetzenden Kühlrohre 36 in drei Kühlrohrabschnitte 36a–c unterteilt.

[0049] Das Aufbringen der Deckschicht 22 durch LMF erfolgt gemäss Fig. 11 vorzugsweise durch überlappendes, aufeinanderfolgendes Aufbringen von Deckschichtlagen 1-R bis 3-C. In einem ersten Schritt (Fig. 11 (a)) wird eine erste rechte Deckschichtlage 1-R aufgebracht. In einem zweiten Schritt (Fig. 11 (b)) wird eine erste linke Deckschichtlage 1-L überlappend aufgetragen. In weiteren Schritten (Fig. 11(c)) werden dann weitere rechte und linke Deckschichtlagen 2-RR und 2-LL sowie eine dritte zentrale Deckschichtlage 3-C aufgebracht.

[0050] Fig. 12 schliesslich zeigt als Ausführungsbeispiel eines Bauteils nach der Erfindung eine Leitschaufel 43 einer Gasturbine, die zwischen einer unteren Plattform 39 und einer oberen Plattform 40 ein gekühltes Schaufelblatt 38 aufweist, das eine Hinterkante 41 und eine Vorderkante 42 hat. In der Vorderkante 42 sind anstelle von einfachen Effusionskühlbohrungen in mehreren Reihen gegeneinander versetzt parallele Kühlkanäle 44 nach der Erfindung angeordnet. Hinsichtlich der Strömungsrichtung des Kühlmediums können dabei die Kühlkanäle 44 benachbarter Reihen, aber auch solche derselben Reihe, entsprechend den Erfordernissen des konkreten Einzelfalls unterschiedlich orientiert sein. Hierdurch lässt sich bei gleichbleibender Kühlung ein Teil des durch die Schaufel strömenden Kühlmediums einsparen.

[0051] Insgesamt kann mit dem Verfahren nach der Erfindung ein wandnaher bzw. oberflächennaher Kühlkanal beliebiger Form an einer beliebigen, üblicherweise konvektionsgekühlten Heissgasoberfläche angeordnet werden, um die Kühlwirkung zu verbessern und Kühlmedium einzusparen. Falls notwendig, können auch grössere Flächen mit derartigen Kühlkanälen ausgestattet werden. Die beschriebene Technologie ist auch anwendbar, wenn ein Bauteil rekonditioniert werden muss oder wenn ein bestehendes Bauteil verbessert oder ersetzt werden muss.

[0052] Die Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen: • Das wandnahe Kühlsystem kann lokal an heissen Zonen eingesetzt werden; • Es kann von der heissen Aussenseite her eingebracht werden; • Bereits eingebaute Bauteile können überarbeitet werden (retrofit); • Das Herstellungsverfahren ermöglicht die Rekonditionierung gebrauchter Bauteile; • Die hohe Kühlwirkung verringert den Kühlmediumverbrauch; • Unter bestimmten Bedingungen kann die Heissgastemperatur in der Maschine erhöht werden; • Das Verfahren ist eine günstige Alternative zum doppelwandigen Giessen; und • Die Gestalt der eingebrachten Kühlkanäle minimiert das Risiko der Rissbildung.

Bezugszeichenliste

[0053] <tb>10,10 ́<sep>Bauteil (z.B. Rohr) <tb>11<sep>Wand <tb>12<sep>Innenraum <tb>13<sep>Kühlkanal (oberflächennah) <tb>14,14 ́<sep>Bauteil <tb>15<sep>Kühlbohrung <tb>16<sep>Kühlmedium, zum Beispiel Luft <tb>17<sep>Kühlkanal (oberflächennah) <tb>17a–c<sep>Kanalabschnitt <tb>17i<sep>Einlass <tb>17o<sep>Auslass <tb>18<sep>Oberfläche <tb>19<sep>Rinne <tb>20<sep>Kühlrohr <tb>21<sep>Füllmaterial (z.B. Hochtemperaturlot) <tb>22<sep>Deckschicht (z.B. auftragsgeschweisst) <tb>23, 28, 34<sep>Bauteil <tb>24, 29, 35<sep>Rinne <tb>25, 30, 36<sep>Kühlrohr <tb>26, 31<sep>Auslass <tb>27, 32<sep>Deckschicht <tb>33<sep>EDM-Elektrode <tb>33a–c<sep>Elektrodenabschnitt <tb>36a–c<sep>Rohrabschnitt <tb>37<sep>LMF-Gerät <tb>38<sep>Schaufelblatt <tb>39, 40<sep>Plattform <tb>41<sep>Hinterkante <tb>42<sep>Vorderkante <tb>43<sep>Leitschaufel (z.B. Gasturbine) <tb>44<sep>Kühlkanäle <tb>d1<sep>Innendurchmesser <tb>d2<sep>Abstand <tb>HS<sep>Heissseite <tb>CS<sep>Kühlseite <tb>t<sep>Wanddicke <tb>1-R, 1-L<sep>Deckschichtlage <tb>2-RR, 2-LL<sep>Deckschichtlage <tb>3-C<sep>Deckschichtlage

Claims (20)

1. Verfahren zum Herstellen eines oberflächennahen Kühlluftkanals (17, 44) in einem thermisch hoch beanspruchten Bauteil (14, 23, 28, 34), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils (14, 23, 28, 34), welches auf einer Heissseite (HS) in einem zu kühlenden Bereich eine Oberfläche (18) aufweist; b) Einlassen einer Rinne (19, 24, 29, 35) in die Oberfläche (18); c) Einlegen eines Kühlrohrs (20, 25, 30, 36) in die Rinne (19, 24, 29, 35); d) Auffüllen der Rinne (19, 24, 29, 35) mit dem eingelegten Kühlrohr (20, 25, 30, 36) mit einem temperaturbeständigen Füllmaterial (21), derart, dass das eingelegte Kühlrohr (20, 25, 30, 36) unter Freilassen eines Einlasses (17i) und eines Auslasses (17o, 26, 31) in das Füllmaterial (21) eingebettet ist; und e) Abdecken der Rinne (19, 24, 29, 35) mit dem eingebetteten Kühlrohr (20, 25, 30, 36) mit einer oxidationshemmenden, temperaturstabilen Deckschicht (22, 27, 32).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (b) die Rinne (19, 24, 29, 35) im Bauteil (14, 23, 28, 34) durch ein Material abtragendes Verfahren ausgehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (19, 24, 29, 35) durch Funkenerosion mittels einer EDM-Elektrode (33) im Bauteil (14, 23, 28, 34) ausgehoben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die EDM-Elektrode (33) in ihrer Form der auszuhebenden Rinne (19, 24, 29, 35) entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14, 23, 28, 34) eine Bauteilwand (14) mit einer Heissseite (HS) und einer gegenüberliegenden Kühlseite (CS) aufweist, und dass die Rinne (19, 24, 29, 35) derart in die Bauteilwand (14) eingebracht wird, dass sie durch die Bauteilwand (14) hindurch von der Kühlseite (CS) zur Heissseite (HS) verläuft und einen Einlass (17i) auf der Kühlseite (CS) und einen Auslass (17o) auf der Heissseite (HS) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (19, 24, 29, 35) und damit auch der fertige Kühlkanal (17, 44) einen ersten Kanalabschnitt (17a) umfasst, welcher sich vom Einlass (17i) auf der Kühlseite (CS) aus in das Innere der Bauteilwand (14) erstreckt, einen an den ersten Kanalabschnitt (17a) anschliessenden zweiten Kanalabschnitt (17b), welcher im Wesentlichen parallel zu der zu kühlenden Oberfläche (18) verläuft, sowie einen an den zweiten Kanalabschnitt (17b) anschliessenden dritten Kanalabschnitt (17), welcher im Auslass (17o) auf der Heissseite (HS) endet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und dritte Kanalabschnitt (17a bzw. 17c) schräg, das heisst in einem spitzen Winkel, zur Oberfläche (18) orientiert sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (17, 44) einen Innendurchmesser von etwa 1 mm aufweist und der zweite Kanalabschnitt (17b) von der zu kühlenden Oberfläche (18) einen Abstand (d2) von kleiner oder gleich 1 mm hat.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (19, 24, 29, 35) so tief in das Bauteil (14, 23, 28, 34) eingelassen ist bzw. so tief aus dem Bauteil (14, 23, 28, 34) ausgehoben wird, dass sich das eingelegte Kühlrohr (20, 25, 30, 36), abgesehen von Einlass (17i) und Auslass (17o), deutlich unterhalb der Oberfläche (18) befindet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (19, 24, 29, 35) mit dem eingelegten Kühlrohr (20, 25, 30, 36) mit einem Hochtemperaturlot als Füllmaterial (21) aufgefüllt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidationshemmende, temperaturstabile Deckschicht (22) durch Auftragsschweissen mittels eines Laser-Metal-Forming-Verfahrens (LMF) aufgetragen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (22) durch aufeinanderfolgendes Auftragen mehrerer, sich überlappender Deckschichtlagen (1-R, 1-L, 2-RR, 2-LL, 3-C) gebildet wird.

13. Thermisch hoch beanspruchtes Bauteil (14, 23, 28, 34) mit einer durch eine Oberfläche (18) begrenzten Heissseite und wenigstens einem oberflächennahen Kühlkanal (17, 44), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (17, 44) nach einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14, 23, 28, 34) eine Bauteilwand (14) mit einer Heissseite (HS) und einer gegenüberliegenden Kühlseite (CS) aufweist, und dass der Kühlkanal (14, 44) durch die Bauteilwand (14) hindurch von der Kühlseite (CS) zur Heissseite (HS) verläuft und einen Einlass (17i) auf der Kühlseite (CS) und einen Auslass (17o) auf der Heissseite (HS) aufweist.

15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (17, 44) einen ersten Kanalabschnitt (17a) umfasst, welcher sich vom Einlass (17i) auf der Kühlseite (CS) aus in das Innere der Bauteilwand (14) erstreckt, einen an den ersten Kanalabschnitt (17a) anschliessenden zweiten Kanalabschnitt (17b), welcher im Wesentlichen parallel zur zu kühlenden Oberfläche (18) verläuft, sowie einen an den zweiten Kanalabschnitt (17b) anschliessenden dritten Kanalabschnitt (17), welcher im Auslass (17o) auf der Heissseite (HS) endet.

16. Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und dritte Kanalabschnitt (17a bzw. 17c) schräg, das heisst in einem spitzen Winkel, zur Oberfläche (18) orientiert sind und insbesondere mit der Oberflächennormalen einen Winkel von 15°bis 30°, vorzugsweise von etwa 18°, einschliessen.

17. Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (17, 44) ein Kühlrohr (20, 25, 30, 36) aufweist, welches in einer in die Oberfläche (18) eingelassenen Rinne (19, 24, 29, 35) liegt und in ein temperaturbeständigen Füllmaterial (21), insbesondere ein Hochtemperaturlot, eingebettet ist.

18. Bauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr einen Innendurchmesser von etwa 1mm und einen Aussendurchmesser von etwa 1,5mm hat, und dass der zweite Kanalabschnitt (17b) von der zu kühlenden Oberfläche (18) einen Abstand (d2) von kleiner oder gleich 1 mm hat.

19. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (17, 44) eine Länge von etwa 20 mm aufweist.

20. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlkanäle (44) parallel und/oder in Reihe und mit Abstand zueinander im Bauteil (43) angeordnet sind.