CN102458715A - 用于制造燃气轮机的涡轮动叶片的浇铸装置和涡轮动叶片 - Google Patents

用于制造燃气轮机的涡轮动叶片的浇铸装置和涡轮动叶片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造燃气轮机的涡轮动叶片(30)的浇铸装置(10)和一种由此制成的涡轮动叶片(30)。所述浇铸装置包括至少一个空心的模壳(12)，所述模壳的入口和设置在其中的铸芯(18)彼此定向为，使得流入模壳(12)的空腔(14)中的热的铸造材料不直接撞击在铸芯(18)上。因此，避免了在铸芯(18)上的所谓的更热的区域(热点)，所述更热的区域直到现在对铸造材料的凝固产生不利的影响。因此，特别是在待制造的涡轮动叶片(30)的叶根(32)的区域中能够达到铸造材料的改善了的凝固，这减少了在已凝固的铸造材料的组织结构中的扰动。由于减少或避免了所述扰动，避免了在叶根侧的冷却通道部段的区域中的裂纹产生和裂纹扩展，这提高了所述涡轮动叶片(30)的使用寿命。

Description

用于制造燃气轮机的涡轮动叶片的浇铸装置和涡轮动叶片
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于制造燃气轮机的涡轮动叶片的浇铸装置。此外，本发明涉及一种根据权利要求6的前序部分所述的涡轮动叶片。
背景技术
长期以来，从现有技术中已知用于制造燃气轮机的涡轮动叶片的浇铸装置，也称为铸造装置。如从US 5,465,780中已知，浇铸装置包括用于同时浇铸多个涡轮动叶片的多个成串设置的模壳。在此，每个模壳空心地构成，其中，空腔为待制造的涡轮动叶片的阴模。因为涡轮动叶片，特别是前置涡轮级的动叶片，通常必须被冷却，所以所述涡轮动叶片同样空心地构成。在工作时，冷却介质，大多数情况下为冷却空气，能够被引导穿过涡轮动叶片的空腔，因此涡轮动叶片具有非常长的使用寿命，并且不会由于流经所述涡轮动叶片的热气流过早遭受由于热而导致的损坏。在此，冷却空气的输送通过设置在叶根中的孔来实现，所述孔与动叶片的空腔流体连接。因此，用于制造这种类型的涡轮动叶片的模壳大多数情况下包括一个或多个铸芯，所述铸芯设置在浇铸装置的空腔中。铸芯在其被清除后在已浇铸的涡轮动叶片中留下空腔，在燃气轮机工作时冷却剂流过所述空腔。
此外已知的是，浇铸装置具有至少一个入口通道，大多数情况下称为浇道，通过所述入口通道，能够在浇铸动叶片时将铸造材料输入模壳的空腔中。因此，入口通道的入口孔通入限定模壳的空腔的表面中。
在涡轮动叶片中证实，在工作时，冷却通道的设置在叶根中的部段的壁导致裂纹产生和裂纹扩展。所述裂纹能够影响并可能缩短涡轮动叶片的使用寿命。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种具有提高了的使用寿命的涡轮动叶片，并且提供一种用于制造这样的涡轮动叶片的浇铸装置。
针对浇铸装置的目的借助根据权利要求1的特征构成的浇铸装置得以实现。关于涡轮动叶片的目的借助根据权利要求5构成的涡轮动叶片得以实现。
本发明基于如下认识，在熔体凝固期间在涡轮动叶片的叶根侧的区域中的冷却通道的壁中的裂纹产生与制造有关。在现有技术中，涡轮动叶片被符合标准地直立浇铸，其中，空腔在模壳中构成为，使得在底部成型涡轮动叶片的叶身的阴模，并且在其上成型平台和叶根。在此，术语“顶部”和“底部”针对水平平面而言。用于熔融的铸造材料的入口通常情况下同样位于顶部，因为被证实为有利的是，涡轮动叶片以顶铸法制成，在所述涡轮动叶片中，铸造材料的最后凝固的位置在顶部，并且因此在质量更大的叶根处。在从现有技术中已知的浇铸装置中，入口通道横向于涡轮动叶片的纵轴线延伸，并且因此与水平平面接近平行地延伸，以便提供一种较低高度的浇铸装置。通过熔融的铸造材料的所述横向输入，所述铸造材料在从入口孔流出后流入模壳的空腔中，并且随后落到模壳的基底上，在那里成型叶身尖端的凹部。通过继续输送熔融的铸造材料，用于涡轮动叶片的叶身、平台和叶根的空腔完全由液态的、热的铸造材料填满。因为，叶根在大多数情况下对称地构成为锤形或圣诞树形，并且冷却通道在大多数情况下定位在叶根中的中央，所以在传统的浇铸装置中，总是出现下述情况，即，流入模壳的空腔中的液态的铸造材料横向地撞击在定位在入口孔的上游的铸芯上。详细地说，熔融的铸造材料撞击处于中央的铸芯的根部区域。这导致了，铸芯在热的铸造材料的冲击点上比在其它区域中更多地被加热。铸芯的这个更热的区域也称为热点(Hot Spots)。相反，铸芯的其它区域不如此过度地被加热。在铸造材料冷却和在此出现凝固期间，与铸芯的较冷的区域相比，在铸造材料的邻接铸芯的局部较热的区域的那些区域中出现铸造材料的延迟凝固。由于铸造材料在相应的区域中的延迟凝固，在凝固的材料的组织结构中出现扰动，所述扰动促使在工作时的裂纹产生和裂纹扩展。现在，基于该认识，本发明提出，在浇铸涡轮动叶片时，热的液态的铸造材料必须进入模壳的空腔中，使得所述铸造材料不直接撞击在铸芯上。现在，根据本发明，铸造材料应自由地且不受干扰地流入空腔中，并且撞击在模壳底部上，所述模壳底部成型为叶片尖端。因为入口在大多数情况下在端侧设置叶根的区域的中央，所以为此必要的是，铸芯相对于叶根的纵轴线离开中心地设置。这导致了一种浇铸装置，在所述浇铸装置中，空腔的部分，——入口通道的假想的延长部伸入所述这个部分中——，至少在入口孔侧不具有铸芯。
因此，借助根据本发明的浇铸装置避免了，在将流入的热的铸造材料填入模壳的空腔中时，所述铸造材料横向地撞击在铸芯上，并且因此产生热的铸芯区域，即所谓的热点。通过避免较热的铸芯区域，在冷却时也不再发生铸造材料的局部延迟的凝固。因此，铸造材料的凝固在总体上变得均匀，以至于能够避免在涡轮动叶片材料的组织结构中的扰动位置。由于避免了所述扰动位置，在工作时有效地避免在涡轮动叶片的包围冷却通道的叶根侧的部段的材料中的裂纹产生和裂纹扩展。这减少了废品，并且延长了涡轮动叶片的使用寿命。
因为铸芯通常至少在叶根的部段中构成为杆形，所以所述铸芯的在模壳中的偏离中心的安置导致在涡轮动叶片的叶根中的冷却通道开口相对于叶根的通常对称的外部轮廓同样偏离中心地设置。在这种情况下，所述对称涉及叶根的横截面为圣诞树形或锤形的轮廓。
模壳的表面具有用于涡轮动叶片的叶根的轮廓，所述轮廓沿着叶根中央镜像对称。在此，所述轮廓是圣诞树形或锤形。在此，入口通道也设置在中央，并且铸芯中的一个至少在入口孔的区域中偏离中心地设置，即两者相对于根据限定位于叶根的侧面的成波浪形的表面或轮廓之间且位于中央的叶根中央设置。由于铸芯偏离中心地设置，并且由于叶根需保持紧凑，必要的是，至今为止的铸芯的横截面面积被分在两个铸芯上。通过将至今为止的、安置在中央的冷却通道分为相应两个平行地偏离中心定位的冷却通道，能够进一步维持用于冷空气所必需的横截面面积，但是其中，然后将至今为止的横截面面积分布在相应两个冷却通道上，那么所述两个冷却通道各具有至今为止的横截面面积的一半。因此，在根据本发明的涡轮动叶片中，现有技术中存在的冷却通道入口被分为两个冷却通道。
这导致，在涡轮动叶片中，两个孔设置在底侧上，但是设置在叶根中央的两侧，其中，所述孔为用于涡轮动叶片的冷却剂的输送孔。因此，每个孔构成涡轮动叶片的冷却通道的端部。
在从属权利要求中说明了浇铸装置的和涡轮动叶片的有利的实施形式。
入口通道优选通入模壳的空腔的表面的部分中，所述部分成型为涡轮动叶片的叶根的端侧的凹部。因此，能够构成足够大的入口通道。同时，具有设置在顶部的叶根的涡轮动叶片的顶铸法可实现涡轮动叶片的浇铸，所述涡轮动叶片的最大体积的区域，即叶根，最后凝固。可能在凝固时发生的铸造材料的收缩能够通过从浇口区域续流的熔融的铸造材料来补偿。此外，因此能够提供一种紧凑的浇铸装置。
优选的是，在浇铸装置中，空腔的能由入口通道的假想的延长部伸入的部分完全不具有铸芯。因此，不仅模壳的空腔在入口孔侧不具有铸芯，而且空腔的与入口孔相对置的那个区域也不具有铸芯。
根据浇铸装置和涡轮动叶片的实施形式和在浇铸涡轮动叶片时设定的过程参数，足够的是，不是全部铸芯都偏离中心地设置，而是仅那些特别靠近入口孔设置的铸芯偏离中心地设置。换句话说，如果流入空腔中的铸造材料不能到达最远离入口孔的铸芯，那么这些铸芯也能够位于入口通道的所假想的延长部中，所述铸芯的部段设置在涡轮动叶片的动叶片区域中。
附图说明
现在，借助于在附图中示出的实施例进一步阐述本发明。在此，通过下面说明的装置的特征的有利的组合获得符合目的的实施形式。附图中示出：
图1示出浇铸装置的立体视图，所述浇铸装置具有根据本发明设置在其中的铸芯；并且
图2示出根据本发明的用于燃气轮机的涡轮动叶片的立体视图。
具体实施方式
图1示出用于制造燃气轮机的涡轮动叶片的浇铸装置10的一部分的立体示意图。浇铸装置10包括具有空腔14的至少一个模壳12。所述空腔14由表面16限定，所述表面为待制造的涡轮动叶片的阴模。在空腔14中总共设置有六个铸芯18。在此，所述铸芯18总是成对地设置。总共存在三个铸芯对。当然，在模壳12中也能够存在更多或更少数量的铸芯(对)。此外，在用于填充入液态的铸造材料的模壳12中设有入口通道20。在此，所述入口通道的入口孔22通入限定空腔14的表面16中。空腔14在模壳12中构成为，使得涡轮动叶片的叶身尖端的阴模设置在最下面。所述表面的设置在阴模上的部分成型为动叶片叶身的凹部。再在动叶片叶身上方，表面的部分构造为，使得成型为涡轮动叶片的平台的阴模。紧接着涡轮动叶片的平台并且因此以在最上面相对于水平平面设置的方式，表面16的剩余部分成型为叶根的轮廓。
入口通道20的入口孔22通入表面的规定叶根的端侧的那个部分中。在此，入口通道20紧邻在所示出的浇铸装置中的入口孔22的上游具有直线的纵向延伸部。在此，入口通道20的纵向延伸部相对于水平平面接近平行地或略微倾斜地延伸。
在图1中不完全地示出铸芯18。在图1中仅示出铸芯18的设置在空腔14的最上面的部分中的那些部段，所述空腔规定了叶根的阴模。铸芯18的在平台侧的区域中或在叶片侧的区域中的形状、轮廓和类型对于本发明而言不再重要，并且因此能够任意地构成，例如构成为蜿蜒形、直线或者也能够构成为仅轻微弯曲。在此，相应的冷却通道也能够部分地再次聚集到一起。
分别形成对的铸芯18彼此间隔。在此，在所述铸芯之间的距离A大到使得热的、液态的铸造材料在填充空腔14时不直接撞击到铸芯18上。可以说，输入空腔14中的热的铸造材料在两个直接相邻的铸芯18之间穿流。因此，应尽可能避免在根部区域中在流入的液态的铸造材料和铸芯表面之间的接触。因此避免了具有局部升高的温度的铸芯区域。局部升高的铸芯温度是在现有技术中在涡轮动叶片的冷却通道的壁上的出现的裂纹现象的原因。
因此，入口通道20的纵向延伸部的假想的延长部延伸入铸芯对的两个铸芯18之间的自由区域中。
根据图1的实施形式，入口通道的假想的延长部完全不具有铸芯18。对此替代地可能的是，仅假想的延长部的在入口孔侧构成的部分不具有铸芯18。相对于在图1中的实施形式，这意味着，在中央示出的铸芯对或在左侧示出的铸芯对例如也能够分别通过唯一的铸芯来代替，所述铸芯的设置在叶根中的部段定位在入口通道20的假想的延长部中。但是，这假定，流入的热的铸造材料的可达范围不宽到使得入流束能够撞击到所述可达范围。
在图2中示出涡轮动叶片30的立体视图，所述涡轮动叶片借助根据图1的浇铸装置制成。涡轮动叶片30具有纵剖面构造为圣诞树形的叶根32，在所述叶根上设置有平台34。弯曲成流线型的叶身36连接在所述平台34上，所述叶身在独立的叶身尖端38处终止。因此，涡轮动叶片30沿着纵轴线40从叶根32朝向叶身尖端38延伸。在此，纵轴线40设置为，使得所述纵轴线在中央或者与圣诞树形的叶根32的轮廓对称地延伸。叶根32在它的背离叶身36且横向于纵轴线40延伸的面上具有多个孔44，所述面也称为底侧，当将铸芯18从经浇铸的涡轮动叶片30移除时，所述孔保留。在此，所述孔44设置在叶根中央的两侧，所述叶根中央在横截面内由纵轴线40限定，并且此外位于叶根的侧面的、成波浪形的表面之间且位于中央。在此，所述孔位于具有各三个孔44的两排中。所述孔44用于将冷却剂导入涡轮动叶片30的内部中。在此，每个孔44构成涡轮动叶片30的冷却通道的端部。所述冷却通道在涡轮动叶片30的内部中的分布对于本发明而言是不重要的。
通过本发明阻止了在填充空腔14时在入口的附近的铸芯18的不均匀的局部过热。同时能够实现更好的填充，因为铸芯18不再阻塞所述入口孔22。流入的热的铸造材料与铸芯18的碰撞通过本发明的应用得以阻止。此外，能够通过热的铸造材料的从入口无阻碍的续流(供入)，进一步改善了凝固，这减小了留下的固有应力或残余应力，并且避免了裂纹产生。
概括来说，本发明涉及一种用于制造燃气轮机的涡轮动叶片30的浇铸装置10，其中，模壳12、所述模壳的入口和设置在其中的铸芯18彼此定向为，使得流入模壳12的空腔14中的铸造材料不直接撞击在铸芯18上。因此避免在铸芯18上的所谓的更热的区域(热点，Hot Spots)，所述铸芯至今为止对铸造材料的凝固产生不利的影响。因此，特别是在待制造的涡轮动叶片30的叶根32的区域中能够实现铸造材料的改善了的凝固，这降低了在已凝固的铸造材料的组织结构中的扰动。由于扰动的减少或避免，避免了在叶根侧的冷却通道段的区域中的裂纹产生和裂纹扩展，这提高了涡轮动叶片30的使用寿命。

Claims (8)

1.用于制造燃气轮机的涡轮动叶片(30)的浇铸装置(10)，包括：
至少一个空心的模壳(12)，所述模壳的空腔(14)由表面(16)限定，并且形成待制造的所述涡轮动叶片(30)的阴模；
设置在所述空腔(14)中的一个或多个铸芯(18)；以及
用于铸造材料的至少一个入口通道(20)，所述入口通道具有通入所述表面(16)的入口孔(22)，
其中，所述表面(16)在所述模壳(12)中定向为，使得在入口侧构造有待浇铸的所述涡轮动叶片(30)的叶根(32)，
其中，用于所述涡轮动叶片(30)的所述叶根(32)的所述表面(16)在叶根中央的两侧具有对称的圣诞树形或锤形的轮廓，并且
其中，所述入口通道(20)直接在它的入口孔(22)的上游具有纵向延伸部，
其特征在于，
所述入口通道(20)设置在所述圣诞树形或锤形的叶根轮廓之间的中央，并且所述铸芯(18)中的一个虽然设置在入口孔侧，但是偏离中心地设置，以至于所述空腔(14)的能由所述入口通道(20)的假想的射束状的延长部伸入的部分至少在入口孔侧不具有铸芯(18)。
2.如权利要求1所述的浇铸装置(10)，其中，所述入口通道(20)通入所述表面(16)的部分中，所述部分成型为所述涡轮动叶片(30)的所述叶根(32)的平坦的端侧(46)的凹部。
3.如权利要求1或2所述的浇铸装置(10)，具有多个铸芯(18)，所述铸芯至少在所述入口孔(22)的区域中设置在所述叶根中央的两侧上。
4.如权利要求1到3之一所述的浇铸装置(10)，其中，所述空腔(14)的能由所述入口通道(20)的假想的延长部伸入的部分完全不具有铸芯(18)。
5.用于燃气轮机的涡轮动叶片(30)，所述涡轮动叶片沿着它的纵轴线(40)具有纵截面为圣诞树形的或锤形的叶根(32)、平台(34)和连接在所述平台(34)上的弯曲成流线型的叶身(36)，
其中，所述叶根(32)相对于所述涡轮动叶片(30)的所述纵轴线(40)在叶根中央的两侧对称地构成，并且在所述叶根的背离所述叶身(36)且横向于所述纵轴线(40)延伸的底侧(42)上具有用于导入冷却剂的一个或多个孔(44)，
其特征在于，
所述孔(44)中的至少一个偏离中心地设置。
6.如权利要求5所述的涡轮动叶片(30)，其中，两个所述孔(44)设置在所述叶根中央的两侧。
7.如权利要求5或6所述的涡轮动叶片(30)，所述涡轮动叶片的叶根(32)具有两个相互对置的平坦的端侧(46)，并且其中，在所述端侧(46)之间设有至少两排孔(44)，所述孔分别偏离中心地设置。
8.如权利要求5、6或7所述的涡轮动叶片(30)，其中，每个孔(44)构成所述涡轮动叶片(30)的冷却通道的端部。
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