DE10063118A1

DE10063118A1 - Schaufel für Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE10063118A1
Application number: DE2000163118
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel (1) für Strömungsmaschinen mit einem tragenden Kern (5), der an einem Fuß (2) angeordnet ist und mit einem strömungsführenden Hemd (3), das am Fuß (2) angeordnet ist und das den Kern (5) umschließt. DOLLAR A Um die Herstellbarkeit einer solchen Schaufel (1) zu verbessern, sind Fuß (2), Kern (5) und Hemd (3) als einteiliges Gussbauteil ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für Strömungsmaschinen mit einem an einem Fuß angeordneten, tragenden Kern und mit einem am Fuß angeordneten, den Kern umschließenden, strömungsführenden Hemd.

Stand der Technik

Aus der EP 0 206 107 B1 ist eine gebaute oder zusammengesetzte Schaufel bekannt, die auch als "Hybridschaufel" bezeichnet wird. Die bekannte Hybridschaufel besitzt einen Kern, der beispielsweise durch Feinguß hergestellt ist. Der Kern ist an einem Fuß der Schaufel befestigt, wobei dieser Fuß beispielsweise durch Erodieren aus Vollmaterial hergestellt ist. Desweiteren ist ein Hemd vorgesehen, das den Kern umgibt, am Kern und am Fuß befestigt ist und vorzugsweise aus einer Keramik hergestellt ist. Bei einer solchen Hybridschaufel werden Kern und Hemd unterschiedliche Funktionen zugeordnet:
Während der Kern die Schaufel trägt, übernimmt das Hemd die Strömungsführung. Entsprechend ihren Funktionen sind Kern, Fuß und Hemd auch aus verschiedenen Materialien hergestellt. Fuß und Kern bestehen aus hochfesten Metalllegierungen, die hohe Tragkräfte ermöglichen. Im Unterschied dazu ist das Hemd aus einer hochtemperaturfesten Keramik hergestellt, die zwar hohen Temperaturen standhält, jedoch nur vergleichsweise geringe Traglasten erträgt. Der Zusammenbau dieser Hybridschaufeln ist relativ aufwendig.

Andere Schaufeln für Strömungsmaschinen besitzen ein gegossenes metallisches Hemd, das sowohl zur Strömungsführung als auch zum Tragen der Schaufel dient. Um eine solche Schaufel stärker belasten zu können, werden diese Schaufeln im Inneren gekühlt. Beispielsweise ist es aus der DE 35 34 905 A1 bekannt, im Inneren der Schaufel relativ komplex geformte Kühlkanäle auszubilden. Desweiteren zeigt z. B. die EP 0 182 588 A1 eine weitere Schaufel mit gegossenem Hemd, in dessen Inneren ein Blecheinsatz zur Ausbildung mehrerer Kühlkammern untergebracht ist. Derartige gegossene Schaufeln mit tragendem Hemd werden so ausgelegt, daß sie im Betrieb der jeweiligen Strömungsmaschine, z. B. Turbine, nahe ihrer Belastungsgrenze belastet werden. Dieses Schaufelkonzept hat jedoch den Nachteil, daß unvorhergesehene, kurzfristige Überbeanspruchungen zum Versagen der Schaufel führen können.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Schaufel der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die einerseits relativ einfach herstellbar ist und die andererseits hinreichend hohe Belastungsreserven aufweist.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß bei einer Schaufel der eingangs genannten Art Fuß, Kern und Hemd als einteiliges Gussbauteil ausgebildet sind. Im Vergleich zu einer Hybridschaufel ist eine solche gegossene Schaufel relativ einfach herstellbar. Da die erfindungsgemäße gegossene Schaufel einen tragenden Kern und ein strömungsführendes Hemd aufweist, kann auch hier eine Trennung der Tragfunktion von der Strömungsführungsfunktion realisiert werden. Dabei ist im Inneren der Schaufel eine intensive Kühlung des Kerns möglich, wodurch dieser im Betrieb deutlich unterhalb seiner Belastungsgrenze bleiben kann und dementsprechend ausreichend Belastungsreserven besitzt. Hinzu kommt die Tatsache, daß der tragende Kern bei einer solchen Ausführungsform gar nicht den hohen Temperaturen, wie sie z. B. in einer Turbine herrschen, ausgesetzt ist, da das strömungsführende Hemd den darin eingeschlossenen Kern von den hohen Temperaturen abschirmt. Außerdem reduziert das zweckmäßig zwischen Hemd und Kern strömende Kühlfluid die am Kern ankommenden Temperaturen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kern so ausgelegt bzw. dimensioniert sein, daß das Hemd zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine keine oder nur wenig Traglast aufzunehmen braucht. Das bedeutet, daß das Hemd im Betrieb durchaus soweit erhitzt werden kann, daß es an sich keine hinreichende Tragfähigkeit mehr besitzt. Da die Tragfunktion dann ausschließlich von dem entsprechend dimensionierten Kern übernommen wird, führt dies nicht zu einem Versagen der Schaufel.

Bei einer anderen Ausführungsform kann das Hemd so mit dem Fuß verbunden sein, daß das Hemd zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine keine oder nur wenig Traglast aufnimmt. Bei dieser Ausführungsform ist die Konstruktion bewußt so gewählt, daß sich das Hemd zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine nicht oder nur geringfügig an der Tragfunktion des Kerns beteiligt, wobei das Hemd diesbezüglich nur geringfügig oder nicht belastet ist, so daß die Gefahr eines Versagens des Hemdes durch eine kurzfristig überhöhte Traglast reduziert ist.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann ein Anschlußbereich, in dem Hemd und Fuß aneinander anschließen, parallel zur Belastungsrichtung federnd nachgiebig ausgebildet sein. Durch diese Bauweise ergibt sich für das Hemd die Möglichkeit, Relativbewegungen relativ zum Fuß und somit relativ zum Kern durchzuführen, ohne daß es dabei zu kritischen Spannungen im Werkstoff kommt. Relativbewegungen können beispielsweise dann auftreten, wenn sich der Werkstoff des Hemdes aufgrund der hohen Fliehkräfte reversibel verformt. Ebenso kommt es aufgrund der hohen Temperaturbelastung zu Wärmeausdehnungseffekten, die Relativbewegungen zwischen Hemd und Fuß bzw. zwischen Hemd und Kern verursachen.

Bei einer Weiterbildung kann im Anschlußbereich mindestens eine im wesentlichen quer zur Belastungsrichtung verlaufende Kerbe ausgebildet sein. Eine solche Kerbe ermöglicht die Ausbildung eines federnd nachgiebigen Bereichs, wobei gleichzeitig diese Kerbe als Lüftungsschlitz zur Kühlung dienen kann.

Grundsätzlich ist es möglich, Fuß, Kern und Hemd aus dem selben Werkstoff und/oder mit dem selben Gußverfahren herzustellen. Hierdurch reduziert sich der Aufwand zur Herstellung einer solchen Schaufel, so daß Kosten eingespart werden können. Gerade im Hinblick auf die unterschiedlichen Funktionen von Fuß, Kern und Hemd kann es jedoch auch sinnvoll sein, das Hemd aus einem anderen Werkstoff bzw. mit einem anderen Gußverfahren herzustellen, als den Fuß und den Kern. Beispielsweise ist der Kern zusammen mit dem Fuß als SX (einkristalline Erstarrung) oder als DS (gerichtete Erstarrung) hergestellt, während das Hemd als CC (konventioneller Guß) hergestellt ist. Dabei ist es beim Gießen der Schaufel durchaus möglich, zunächst nur den Fuß zu gießen und anschließend an den noch nicht erstarrten Fuß den Kern und das Hemd anzugießen, wodurch sich im Übergangsbereich durch Vermischung der Schmelzen und Diffusionsvorgänge eine innige, stoffschlüssige Verbindung zwischen Fuß, Kern und Hemd ergibt. Das gleichzeitige Gießen von unterschiedlichen Materialien wird auch als "Double Pooring" bezeichnet. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaufel ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Schaufel nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schaufel bei einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Längsschnitt wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform, und

Fig. 4 einen Teilquerschnitt entsprechend der Schnittlinie IV in Fig. 3.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend den Fig. 1 bis 3 weist eine erfindungsgemäße Schaufel 1 einer im übrigen nicht dargestellten Strömungsmaschine einen Schaufelfuß oder Fuß 2 auf, mit dem die Schaufel 1 beispielsweise an einem Rotor einer Turbine verankert werden kann. Die Schaufel 1 kann grundsätzlich als Leitschaufel oder als Laufschaufel ausgebildet sein und bei einem Verdichter oder bei einer Turbine zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Schaufel 1 eignet sich jedoch in besonderer Weise als Laufschaufel einer Turbine. Eine solche Turbinenlaufschaufel ist sowohl besonders hohen mechanischen als auch besonders hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.

Vom Fuß 2 geht ein Hemd 3 aus, das aerodynamisch entsprechend der Schaufelfunktion geformt ist. Das Hemd 3 ist somit strömungsführend ausgebildet. Im Hemd 3 ist ein Hohlraum 4 ausgebildet, der einen Kern 5 umschließt, der ebenfalls vom Fuß 2 ausgeht. Der Kern 5 ist vorzugsweise massiv ausgebildet.

Entsprechend Fig. 3 weist die Schaufel 1 außerdem ein Deckband 6 auf, das dem Fuß 2 gegenüberliegend Hemd 3 und Kern 5 miteinander verbindet.

Der Hohlraum 4 im Hemd 3 eignet sich in besonderer Weise zur Durchführung einer Kühlung von Kern 5 und Hemd 3. Beispielsweise wird der Hohlraum 4 mit Kühlluft beaufschlagt. Im Hohlraum 4 können zwischen Hemd 3 und Kern 5 Einsatzelemente 7 eingebracht sein, die eine Abstützung zwischen Hemd 3 und Kern 5 ermöglichen. Des weiteren kann die dem gekühlten Hohlraum 4 ausgesetzte Oberfläche von Hemd 3 und/oder Kern 5 so bearbeitet sein, dass sich der Wärmeübergang zwischen der jeweiligen Wand und der Kühlmittelströmung verbessert. Exemplarisch ist in Fig. 2 ein Wandabschnitt 8 des Hemdes 3 mit Vertiefungen bzw. Erhöhungen ausgestattet, wodurch die Kühlung des Hemdes 3 verbessert wird. Des weiteren kann entsprechend Fig. 4 das Hemd 3 an seiner dem Kern 5 zugewandten Seite mit Rippen 9 ausgestattet sein, über die sich das Hemd 3 am Kern 5 abstützt und die zwischen Hemd 3 und Kern 5 Kühlkanäle 10 ausbilden.

Entsprechend Fig. 3 kann ein Anschlussbereich 11, der hier durch eine unterbrochene Linie gekennzeichnet ist, zwischen Hemd 3 und Fuß 2 so gestaltet sein, dass das Hemd 3 am Fuß 2 parallel zu einer durch einen Pfeil 12 symbolisierten Belastungsrichtung federnd nachgiebig gehaltert sein. Dies wird hier dadurch erreicht, dass in diesem Anschlussbereich 11 im Fuß 2 eine im wesentlichen quer zur Belastungsrichtung 12 verlaufende Kerbe 13 ausgebildet ist. Durch diese Kerbe 13 bildet ein mit dem Hemd 3 verbundener Abschnitt 14 des Fußes 2 eine federelastische Zunge.

Wenn die Schaufel 1 beispielsweise als Turbinenlaufschaufel ausgebildet ist, greifen an der Schaufel 1 sehr große Fliehkräfte an. Der Kern 5 wird dabei auf Zug beansprucht und trägt das damit verbundene Deckband 6. Der Kern 5 ist daher tragend ausgebildet. Im Unterschied dazu trägt das Hemd 3 im Betrieb der Strömungsmaschine nicht, sondern stützt sich radial außen am Deckband 6 ab. Das Hemd 3 wird somit über das Deckband 6 ebenfalls vorn Kern 5 am Fuß 2 gehaltert. Die Entkopplung des Hemdes 3 von der Tragfunktion wird hier dadurch realisiert, dass das Hemd 3 im Anschlussbereich 11 parallel zur Belastungsrichtung 12 federnd nachgiebig am Fuß 2 gehaltert ist. Dadurch kann sich das Hemd 3 aufgrund der daran angreifenden Fliehkräfte radial nach außen verstellen bzw. wird hierdurch erreicht, dass das Hemd 3 keine oder nur geringe Zugkräfte auf den Fuß 2 übertragen kann. Diese Nachgiebigkeit des Anschlussbereichs 11 wird - wie oben erläutert - durch die Kerben 13 erreicht und kann zusätzlich durch Einstiche 15 oder andere geeignete geometrische Maßnahmen unterstützt werden. Die hier verwendeten Kerben 13 sind besonders zweckmäßig, da diese außerdem zur Kühlung der Schaufel im Anschlussbereich 11 verwendet werden können.

Im Betrieb der Strömungsmaschine, z. B. Turbine, ist das strömungsführende Hemd 3 sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, wobei sich das Hemd 3 stark erwärmt. Entsprechend dieser Erwärmung kommt es zu Wärmeausdehnungen des Hemdes 3 parallel zur Belastungsrichtung 12. Durch den in dieser Richtung 12 federn nachgiebig gestalteten Anschlussbereich 11 kann sich das Hemd 3 ausdehnen, ohne dass sich dabei im Hemd 3 die Druckbelastung und im Kern 5 die Zugbelastung stark vergrößert.

Das Hemd 3 schirmt die hohen Temperaturen vor dem Kern 5 ab. Des weiteren kann der Kern 5 im Inneren des Hemdes 3 besonders effektiv gekühlt werden, so dass sich der Kern 5 temperaturbedingt nur relativ geringfügig ausdehnt. Hierdurch kann beispielsweise ein Schaufelspiel relativ klein gehalten werden, wodurch sich Verluste der Strömungsmaschine reduzieren. Darüber hinaus besitzt der relativ kalte Kern 5 noch hohe Belastungsreserven, so dass kurzfristige Überbelastungen der Schaufel 1 regelmäßig nicht zu einem Versagen der Schaufel 1 führen. Durch die Abschirmungswirkung des Hemdes 3 und durch die im Inneren relativ effektiv durchführbare Kühlung des Kerns 5 kann insgesamt sogar der Kühlmittelbedarf im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaufel reduziert werden.

Die Schaufel 1 ist so konstruiert, dass das Hemd 3 zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine keine oder nur wenig Traglast aufzunehmen braucht. Das heißt, der Kern 5 ist so dimensioniert, dass er im Betrieb der Strömungsma schine das Hemd 3 über das Deckband 6 am Fuß 2 mit Traglastreserven sicher halten kann. Hierdurch kann beispielsweise für das Hemd 3 eine beanspru chungsgerechte Materialauswahl verwendet werden, beispielsweise kann das Hemd 3 aus einem Material mit hoher Oxidationsfestigkeit bestehen.

Selbst wenn der Werkstoff des Hemdes 3 eine gewisse Tragfestigkeit besitzen sollte, kann die Anbindung des Hemdes 3 an den Fuß 2, z. B. durch den Anschlussbereich 11, so gestaltet sein, dass das Hemd 3 zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine keine oder nur wenig Traglast aufnimmt. Auch durch diese Konstruktionsweise wird die Funktion des Hemdes 3, nämlich die Strömungsführung, klar von der Funktion des Kerns 5, nämlich Aufnahme der Traglast, getrennt. Somit können Hemd 3 und Kern 5 hinsichtlich ihrer Funktionen optimiert werden.

Erfindungsgemäß sind Fuß 2, Kern 5 und Hemd 3 und optional auch ein dieser Schaufel 1 zugeordneter Abschnitt des Deckbandes 6 als einteiliges Gussbauteil ausgebildet. Dabei können in einem ersten Herstellungsschritt Fuß 2, Kern 5 und Hemd 3 in einem Stück gegossen werden, an das anschließend, bei noch nicht vollständig erstarrter Schmelze, der entsprechende Abschnitt des Deckbandes 6 angegossen wird. Vorzugsweise wird zunächst der Fuß 2 gegossen, auf den, bei noch nicht erstarrter Schmelze, Kern 5 und Hemd 3 aufgegossen werden. Das Angießen von Kern 5 und Hemd 3 an den Fuß 2 kann insbesondere gleichzeitig erfolgen. Kern 5 und Fuß 2 bestehen vorzugsweise aus demselben Material. Ebenfalls ist es zweckmäßig, für Kern 5 und Fuß 2 dasselbe Gussverfahren zu verwenden. Beispielsweise werden für den Fuß 2 und den Kern 5 Gussverfahren mit gerichteter Erstarrung (DS) oder mit einkristalliner Erstarrung (SX) durchgeführt, um besonders hohe Zugfestigkeiten für Kern 5 und Fuß 2 zu erhalten. Ebenso sind herkömmliche, konventionelle Gussverfahren (CC) sowie Feingussverfahren und Vakuumgussverfahren anwendbar. Das Hemd 3 kann grundsätzlich aus demselben Werkstoff bestehen wie Kern 5 und Fuß 2. Ebenso kann das Hemd 3 grundsätzlich durch dasselbe Gussverfahren hergestellt werden wie Kern 5 und Fuß 2. Die Zuordnung der unterschiedlichen Funktionen, nämlich Strömungsführungsfunktion und Tragfunktion, erfolgt dann über die Ausgestaltung des Anschlussbereichs 11. Beispielsweise wird das Hemd 3 im Betrieb so hoch erhitzt, dass es keine hinreichende Tragfähigkeit mehr besitzt, jedoch den auftretenden Temperaturen noch standhält. Durch die gewählte Konstruktion führt dies nicht zum Versagen der Schaufel, da das Hemd 3 keine Tragfunktion aufweisen muss und dementsprechend auch keine Traglasten in der Belastungsrichtung 12 aufnehmen muss.

Die Hitzebeständigkeit des Hemdes 3 kann dadurch verbessert werden, dass für die Herstellung des Hemdes 3 ein anderes, geeigneteres Material und/oder ein anderes geeignetes Gußverfahren verwendet wird. Beispielsweise wird für das Hemd 3 eine besonders oxidationsfeste Metalllegierung verwendet. Auch hier können Fuß 2, Hemd 3, und Kern 5 als einteiliges Gussbauteil ausgestaltet sein, wobei das Hemd 3 an den noch nicht vollständig erstarrten Fuß 2 angegossen wird.

Bezugszeichenliste

1

Schaufel

2

Fuß

3

Hemd

4

Innenraum

5

Kern

6

Deckband

7

Einsatz

8

Wandabschnitt

9

Rippe

10

Kühlkanal

11

Anschlussbereich

12

Belastungsrichtung

13

Kerbe

14

nachgiebiger Abschnitt von

11

15

Einstich

Claims

1. Schaufel für Strömungsmaschinen mit einem an einem Fuß (2) angeordneten, tragenden Kern (5) und mit einem am Fuß (2) angeordneten, den Kern (5) umschließenden, strömungsführenden Hemd (3), dadurch gekennzeichnet, dass Fuß (2), Kern (5) und Hemd (3) als einteiliges Gussbauteil ausgebildet sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (5) so ausgelegt ist, dass das Hemd (3) zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine keine oder nur wenig Traglast aufzunehmen braucht.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hemd (3) so mit dem Fuß (2) verbunden ist, dass das Hemd (3) zumindest im Betrieb der Strömungsmaschine keine oder nur wenig Traglast aufnimmt.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Fuß (2), Kern (5), Hemd (3) und zumindest ein dieser Schaufel (1) zugeordneter Abschnitt eines Deckbandes (6) als einteiliges Gussbauteil ausgebildet sind.

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussbereich (11), in dem Hemd (3) und Fuß (2) aneinander anschließen, parallel zur Belastungsrichtung (12) federnd nachgiebig ausgebildet ist.

6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschlussbereich (11) mindestens eine im wesentlichen quer zur Belastungsrichtung (12) verlaufende Kerbe (13) ausgebildet ist.

7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Fuß (2), Kern (5) und Hemd (3) aus dem selben Werkstoff bestehen.

8. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Fuß (2) und Kern (5) aus dem selben Werkstoff bestehen und daß das Hemd (3) aus einem anderen Werkstoff besteht als Kern (5) und Fuß (2).

9. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Fuß (2), Kern (5) und Hemd (3) mit dem selben Gußverfahren hergestellt sind.

10. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Fuß (2) und Kern (5) mit dem selben Gußverfahren hergestellt sind und daß das Hemd (3) mit einem anderen Gußverfahren hergestellt ist als Fuß (2) und Kern (5).