CN107002495B - 用于制造转子叶片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造用于燃气轮机(100)的转子叶片(120)的方法，所述转子叶片具有固定区域(162)和平台(160)，在所述平台上设置有以叶片尖部(167)终止的叶片(166)，所述方法应能够在特别节约资源制造的情况下实现燃气轮机的特别高的效率。为此，所述方法包括如下方法步骤：‑制造加强部(144)；‑围绕加强部(144)的至少一部分铸造转子叶片(120)的第一部分；以及‑借助于3D打印法构造转子叶片(120)的第二部分。

Description

用于制造转子叶片的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造用于燃气轮机的转子叶片的方法，所述转子叶片具有固定区域和平台，在所述平台上设置有以叶片尖部终止的叶片。本发明还涉及这种转子叶片。

背景技术

上述类型的转子叶片在燃气轮机中用于将热的燃气流的能量转换为旋转动能。所述转子叶片典型地具有由空腔贯穿的叶身，所述空腔用于引导冷却空气，所述叶身固定在所谓的平台上。在平台上连接有固定区域，所述固定区域用于将涡轮叶片固定在燃气轮机的转子或定子上。

用于燃气轮机的转子叶片在铸造方面由一个工件和一种原料制造。这通常以真空精密铸造法进行。然而，根据当前燃气轮机的尤其通过提高质量流实现的进一步的效率改进方案表明：以本方法制造的涡轮叶片可能会出现稳定性问题。此外，用于制造冷却通道的模通常是不可重复使用的。

发明内容

因此，本发明的目的是：提出开头时提到类型的方法和转子叶片，其能够在特别节约资源制造的情况下实现燃气轮机的特别高的效率。

根据本发明，所述目的在方法方面通过如下方式实现，所述方法包括下述方法步骤：

-制造加强部；

-围绕加强部的至少一部分铸造转子叶片的第一部分；以及

-借助于3D打印法构造转子叶片的第二部分。

在转子叶片方面通过如下方式实现所述目的：其中转子叶片包括设置在内部的加强部。

在此，本发明基于如下想法：关于穿过燃气轮机的质量流的提高，尤其第四涡轮转子叶片级的设计方案遇到制造技术方面的极限：转子叶片应具有开头描述的内部结构，并且主动地被冷却。在此，尤其在第四涡轮转子叶片级中，源于流动面和转速的临界的参数和特征值的确定和评估表现出：需要将在叶片的上部区域中的构件壁厚度以大约1mm在非常窄的范围中构成。在这样大的构件中，1mm的壁厚度通常是难以实现的。这个问题能够通过如下方式解决：不将转子叶片完整地一起铸造，而是借助于3D打印法制造。在此，能够在叶身内部制造非常复杂的几何结构。问题是：借助于已知的3D打印法实现较低的构件强度。为了提高由3D打印制造的转子叶片的强度，因此提出：利用复合材料。与钢筋混凝土的情况类似地，应将较坚固的材料的支撑件嵌入到基本材料中。首先制造具有所述支撑件的所述加强部，然后围绕加强部铸造转子叶片的一部分，并且最后尤其借助于3D打印构造转子叶片的精细的部分，例如冷却空气通道。

在此，支撑件应——与在钢筋混凝土的情况下相同地——沿主负荷方向定向。这尤其涉及通过在燃气轮机的运行中的离心力引起的负荷，所述负荷径向向外，即朝向叶片尖部的方向作用并且朝向叶片尖部越来越大。因此，加强部应有利地包括至少一个支撑件，所述支撑件从转子叶片尖部的区域延伸至平台，因此即穿过整个叶身沿负荷的方向延伸。由此，实现叶身抵抗所产生的离心力而稳定。

通过使加强部有利地包括支撑件的方式再进一步改善稳定性，所述支撑件从转子叶片尖部的区域延伸至固定区域。由此，使从转子叶片根部处的固定区域直至叶片尖部的整个转子叶片结构通过连续的支撑件而稳定。

在方法的其他有利的设计方案中，围绕加强部铸造的上述第一部分包括固定区域。通常具有圣诞树状的榫槽结构的固定区域通常不包括冷却通道或仅包括少量冷却通道，并因此具有不太复杂的几何结构。因此，所述固定区域尤其也能够以可再次利用的形式制造。通过铸造固定区域，所述固定区域还具有所需的强度并且建立与加强部的良好的连接。

同样的内容适用于平台，所述平台将固定区域相对于在涡轮通道中的热气体密封。所述平台也能够以可再次利用的形式铸造进而得到特别高的强度。因此，铸造的第一部分有利地包括平台。

在方法的其他有利的设计方案中，转子叶片的铸造的第一部分包括在叶身区域中的加强部的支撑件的至少一部分的包套。换言之：围绕在叶身区域中的加强部，由实心材料铸造包套。所述包套例如能够以预设的厚度围绕相应的支撑件铸造。由此，建立与加强部的连接部，所述连接部用作为用于3D打印的基板。

有利地，加强部由钢制成。在此，尤其考虑当前使用的叶片原料，例如高强度的钢或合金，所述钢或合金具有相应高的抗拉强度和相对于周围原料的高的弹性模量。这种材料由于其高的强度特别适合于承受在运行中产生的离心力并且使转子叶片稳定化。此外，所述材料具有高的熔点，使得所述材料在叶片根部或包套的铸造过程期间保持稳定。

转子叶片的借助于3D打印法构造的第二部分有利地包括叶身的区域。刚好在此，要制造复杂的结构例如冷却通道，所述结构能够借助于3D打印特别简单地且灵活地成形。

有利地在构造所述第二部分时将所述冷却通道设置到叶身的区域中。

在所述方法的有利的设计方案中，将选择性激光熔化用作为3D打印法。在选择性激光熔化中，将要加工的原料以粉末形式以薄层施加在转子叶片的已铸造的部分上。借助于激光辐射将粉末状的原料局部地完全重熔并且在凝固之后形成固体的材料层。接着，将转子叶片以层厚度的数值降低并且重新涂覆粉末。重复所述周期，直至所有层被重熔。

用于燃气轮机的转子叶片有利地借助于至此所描述的方法制造。

燃气轮机有利地包括这种转子叶片。

借助于本发明实现的优点尤其在于：通过利用复合材料补偿3D打印材料的薄弱部，并且这种方法可应用于制造涡轮叶片。借助于所述方法，叶身的壁厚度能够是更小的并且也能够制造更长的转子叶片，从而改善燃气轮机的效率和功率。

附图说明

根据附图详细地阐述本发明的实施例。其中示出：

图1示出贯穿燃气轮机的部分的纵剖面；

图2示出用于转子叶片的加强部；

图3A示出具有铸造的叶片根部的加强部的剖面；

图3B示出具有铸造的叶片根部的加强部和加强部的部分包套；以及

图4示出贯穿转子叶片的剖面。

在所有附图中，相同的部件设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出燃气轮机100的纵向部分剖面。涡轮机是流体机械，所述流体机械将流动的流体(液体或气体)的内能(焓)转换为旋转能并且最后转换为机械的驱动能。

燃气轮机100在内部具有围绕旋转轴线102(轴向方向)转动安装的转子103，所述转子也称作涡轮转子。沿着转子103，依次跟随有进气壳体104，压缩机105，环面形的燃烧室110，尤其环形燃烧室106，所述燃烧室具有多个同轴设置的燃烧器107，涡轮机108和废气壳体109。

环形燃烧室106与环形的热气体通道111连通。在此，四个相继连接的涡轮级112例如形成涡轮机108。每个涡轮级112由两个叶片环形成。沿工作介质113的流动方向观察，在导向叶片排115的热气体通道111中，跟随有由转子叶片120形成的排125。叶片120、130形成略微弯曲的，类似于机翼的轮廓。

在此，导向叶片130固定在定子143上，与此相反，一排125转子叶片120借助于涡轮叶轮盘133安装在转子103上。因此，转子叶片120形成转子的或工作轮103的组成部分。在转子103上耦联有发电机或做功机械(未示出)。

在燃气轮机100的运行期间，压缩机105通过进气壳体104抽吸和压缩空气135。在压缩机105的涡轮侧的端部上提供的压缩的空气引向燃烧器107，并且在那与燃烧剂混合。混合物于是在燃烧室110中燃烧，以形成工作介质113。工作介质113从所述燃烧室中沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。

通过涡轮叶片120、130的尽可能无涡流的层式绕流，从流体流提取所述涡轮叶片的内能的一部分，该部分传递到涡轮机108的转子叶片120上。然后，经由所述转子叶片使转子103置于转动中，由此首先驱动压缩机105。可利用的功率输出到未示出的做功机械上。

在燃气轮机100的运行期间消耗热的工作介质113的构件承受热负荷。除了对环形燃烧室106加衬的隔热块之外，沿工作介质113的流动方向观察的第一涡轮级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。高的负荷需要可承受最高负荷的原料。因此，涡轮叶片120、130由钛合金、镍基超合金或钨钼合金制成。为了相对于温度以及腐蚀例如点状腐蚀的更高的防护，叶片通过防止腐蚀的覆层(MCrAlX；M＝Fe、Co、Ni、稀土元素)和防热的覆层(隔热层，例如ZrO2、Y2O4-ZrO2)来保护，所述点状腐蚀也已知为“麻点腐蚀(pittingcorrosion)”。用于热屏蔽的覆层称为热障涂层或简称TBC。用于使叶片抗热的其他措施在于复杂的冷却通道系统。所述技术不仅应用在导向叶片130中也应用在转子叶片120中。

每个导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(在此未示出)和与导向叶片根部相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103并且固定在定子143的密封环140上。在此，每个密封环140包围转子103的轴。同样，每个转子叶片120具有这种转子叶片根部，如在下面的附图中再进一步示出那样，然而在转子叶片顶部终止。

图2示出用于这种转子叶片120的加强部144。加强部144具有上部的横撑146。从上部的横撑146，总共四个纵撑148、150以彼此相同的间距略微束状地彼此背离地向下伸出。两个中间的纵撑148比外部的纵撑150略长。其是相同长度的并且在其端部处经由下部的横撑152连接。在同样相同长度的外部的纵撑150的端部处，所述纵撑彼此连接并且与中间的纵撑150经由另一横撑154连接。在另一横撑154和上部的横撑146之间，所有纵撑148、150通过以规则的间距设置的中间的横撑156彼此连接。

纵撑和横撑146、148、150、152、154、156的在图2中示出的设置方式仅是示例的。在其他替选的实施方式中，当然能够根据产生的力选择支撑件的数量、定向和分布。

因此，纵撑和横撑146、148、150、152、154、156形成稳定的加强部144，所述加强部能够设置在转子叶片120的内部。根据下面的附图阐述转子叶片120的制造过程。首先，如所描述那样制造加强部144。所述加强部由高强度的钢合金构成并且在图3A和3B中示出的铸造过程中保持稳定。

在方法的第一实施例中，如在图3A中示出，仅铸造转子叶片根部158。所述转子叶片根部包括平台160和固定区域162，所述平台用于将转子103的内部区域相对于在热气体通道111中的热气体进行密封，所述固定区域具有两侧的弹簧，所述两侧的弹簧构成为用于在转子上的榫槽连接。在此，可看到的是，横撑154在平台160中。中间的纵撑148的经过横撑154向下延伸的区域和下部的横撑152位于固定区域162中。

在方法的第二实施例中，如在图3B中示出，除了转子叶片根部158之外，铸造每个纵撑150、152的包套164。所述包套例如能够以具有纵撑150、152作为轴线的柱状的形式构成。在两个实施例中，在铸造时，能够利用相对简单的、可再次利用的形状。

最后，图4示出制成的转子叶片120。基于在图3A或3B中示出的构件，转子叶片120的体部的其余部分借助于选择性激光熔化制造。这样制造的部分尤其包括叶身166，其中在转子叶片尖部167的区域中设置有加强部144的上部的横撑146。

叶身166具有相对复杂的几何结构：其轮廓类似于机翼。所述叶身具有弓形的轮廓前缘168和轮廓后缘170。转子叶片120的凹形的压力侧壁和凸形的吸入侧壁在轮廓前缘168和轮廓后缘170之间延伸。在压力侧壁和吸入侧壁之间，在内部装入多个未详细示出的冷却空气通道。

基于部分铸造的转子叶片120，所描述的复杂的几何结构能够借助于3D打印特别简单地构造。通过加强部144，补偿在3D打印中制造的材料的结构上的薄弱部。

Claims (12)

1.一种用于制造用于燃气轮机(100)的转子叶片(120)的方法，所述转子叶片具有固定区域(162)和平台(160)，在所述平台上设置有以叶片尖部(167)终止的叶身(166)，所述方法包括如下方法步骤：

-制造加强部(144)；

-围绕所述加强部(144)的至少一部分铸造所述转子叶片(120)的第一部分；以及

-借助于3D打印法构造所述转子叶片(120)的第二部分。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述加强部(144)包括从所述转子叶片尖部(167)的区域延伸至所述平台(160)的支撑件(148，150)。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中所述加强部包括从所述转子叶片尖部(167)的区域延伸至所述固定区域(162)的支撑件(148)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中所述第一部分包括所述固定区域(162)。

5.根据权利要求4所述的方法，

其中所述第一部分包括所述平台(160)。

6.根据权利要求2所述的方法，

其中所述第一部分包括在所述叶身(166)的区域中的所述加强部(144)的所述支撑件(148，150)的至少一部分的包套(164)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中所述加强部(144)由钢制成。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中所述第二部分包括所述叶身(166)的区域。

9.根据权利要求8所述的方法，

其中在构造所述第二部分时，将冷却通道设置到所述叶身(166)的区域中。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其中将选择性激光熔化用作3D打印法。

11.一种用于燃气轮机(100)的转子叶片(120)，

所述转子叶片借助于权利要求1至10中任一项所述的方法制造。

12.一种燃气轮机(100)，所述燃气轮机具有根据权利要求11所述的转子叶片(120)。