DE10129975A1

DE10129975A1 - Giessform für den Kern einer Gasturbinenschaufel oder dergleichen

Info

Publication number: DE10129975A1
Application number: DE10129975A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beeck; Christoph Nagler; Lothar Schneider; Klaus Semmler
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: DE10129975B4

Abstract

Gießform (1) für den Kern einer Gasturbinenschaufel oder dergleichen, mit zumindest einem oberen Formteil (20, 30) und einem unteren Formteil (10), die im geschlossenen Zustand einen Formhohlraum (50) bilden, der mit Schmelze befüllbar ist. Der Formhohlraum (50) besitzt Konturabschnitte, die mit den Innenwandungen der mit Hilfe dieses Kerns hergestellten Gasturbinenschaufel korrespondieren, nämlich einen saugseitigen Konturabschnitt (52, 53), einen druckseitigen Konturabschnitt (51), einen Vorderkanten-Konturabschnitt (55) sowie einen Hinterkanten-Konturabschnitt (56). Zur Optimierung des Wärmeübergangs und/oder der Strömung im Inneren der Gasturbinenschaufel können unterschiedliche Kerne durch Auswechseln von Einsätzen (60, 70, 80, 90) mit variierter Geometrie hergestellt werden. Die Modifikation von Konturabschnitten (51, 52, 53, 55, 56) kann durch einfaches Austauschen der Einsätze (60, 70, 80, 90) erreicht werden, ohne die Formteile (10, 20, 30) im Übrigen zu verändern. Eine derartige Gießform ist deshalb prädestiniert für die Optimierung der Hohlraumgeometrie von Gasturbinenschaufeln.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Gießform für den Kern einer Gasturbinenschaufel oder dergleichen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie deren Verwendung.

Stand der Technik

Derartige Gießformen sind ganz allgemein bekannt und werden zur Herstellung von kühlbaren Schaufeln gemäß beispielsweise der DE 199 39 179 A1 verwendet. Solche Schaufeln besitzen ein Schaufelblatt, das aus einer saugseitigen und einer druckseitigen Wand aufgebaut ist. Die saugseitige und die druckseitige Wand sind jeweils gegenüberliegend über eine Vorderkante und eine Hinterkante miteinander verbunden. Zwischen der saugseitigen und der druckseitigen Wand entsteht somit ein Hohlraum, der sich in der Regel in radialer Richtung durchgehend durch das Schaufelblatt hindurch erstreckt und von einem Kühlmedium, beispielsweise von Luft oder Dampf, durchströmbar ist.

Derartige Schaufeln werden u. a. im Gießverfahren hergestellt. Zur Bildung des Hohlraums der Schaufel sind deshalb ein oder mehrere Kerne erforderlich, die nach dem Gießvorgang entfernt werden.

Der Gestaltung des Hohlraums der Schaufel kommt eine überragende Bedeutung zu, da durch eine entsprechende Gestaltung des Hohlraums der Wärmeübergang zwischen der Wandung der Schaufel und dem Kühlmedium gezielt eingestellt wird. An thermisch besonders hoch belasteten Bereichen, wie beispielsweise im Staupunktsbereich, in Bereichen starker Strömungsumlenkung auf der Saugseite oder insbesondere im Hinterkantenbereich sind spezielle Maßnahmen vorge sehen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Dies können beispielsweise Rippen, Stege oder Noppen sein, die, ausgehend von der Innenwandung, in den Hohlraum hineinragen, um eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche zum an dieser Stelle vorbeigeführten Kühlmedium zu realisieren. Weiterhin sind im Hinterkantenbereich häufig spezielle Kühlkanäle geformt, die vergleichsweise kompliziert aufgebaut sind.

Es hat sich in der Vergangenheit gezeigt, daß bereits vergleichsweise geringe Ab weichungen der Hohlraumgeometrie von der Soll-Kontur in den genannten Berei chen zu einer erheblichen Abweichung des Wärmeübergangsverhaltens führen. Im Endstadium der Entwicklung einer Beschaufelung ist es deshalb in der Regel unumgänglich, den Kern hinsichtlich seiner Geometrie mehrfach zu verändern, um in der fertigen Schaufel die Soll-Kontur im Hohlraum zu erreichen.

Weiterhin ist es trotz ausgereifter numerischer Hilfsmittel zur Strömungs- und Wär meübertragungssimulation erforderlich, Feinkorrekturen der Kerngeometrie im Endstadium der Entwicklung durch Tests vorzunehmen, da die zur Verfügung ste henden Rechenmodelle nicht immer die realen Verhältnisse ausreichend genau wiedergeben.

Derartige Modifikationen sind sehr aufwendig, da sie in der Regel Modifikationen, häufig sogar die Neuherstellung des Gießwerkzeuges für den Kern erforderlich machen. So werden die Kerne ebenfalls mit Hilfe einer Gießform hergestellt, die zumindest aus einem oberen und einem unteren Formteil aufgebaut ist, die im ge schlossenen Zustand einen mit Schmelze befüllbaren Formhohlraum bilden. Der Formhohlraum besitzt Konturabschnitte, die mit den Innenwandungen der mit Hilfe dieses Kerns hergestellten Gasturbinenschaufel korrespondieren. Es sind dies ein saugseitiger und ein druckseitiger Konturabschnitt sowie ein Vorder- und ein Hin terkantenkonturabschnitt. Je nach Kerngeometrie kann es auch erforderlich wer den, daß obere und/oder das untere Formteil mehrteilig auszuführen, um das Ent formen des fertig gegossenen Kerns zu ermöglichen.

Es versteht sich von selbst, daß die Modifikation von Konturabschnitten häufig auf eine Neuherstellung des korrespondierenden Formteils hinausläuft.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gießform für den Kern einer Gasturbinenschaufel oder dergleichen der eingangs genannten Art anzugeben, die eine vereinfachte Modifi kation von Konturabschnitten des Kerns ermöglicht, so daß insbesondere im Sta dium der Endentwicklung einer kühlbaren Schaufel Optimierungen des Hohlraums einfach und kostengünstig realisierbar sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Gießform gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Modifikation von Konturabschnitten des Kerns zumindest ein auswechselbarer Einsatz am oberen und/oder unteren Formteil vor gesehen sind. Zur Modifikation des betreffenden Konturabschnittes ist es lediglich erforderlich, die entsprechenden Einsätze auszutauschen und auf diese Weise mit geringem Aufwand Variationen der Konturgeometrie erzeugen zu können. Ein kompletter Austausch des gesamten korrespondierenden Formteils ist nicht mehr erforderlich.

Es versteht sich von selbst, daß je nach Entwicklungsziel in den zu optimierenden oder näher zu untersuchenden Konturabschnitten die jeweiligen Formteile für die Aufnahme der Einsätze vorbereitet werden müssen. Das erfindungsgemäße Kon zept erlaubt jedoch auch die Nachrüstung vorhandener Formteile, in die in der Re gel lediglich Aufnahmeeinrichtungen, beispielsweise in Form von Nuten oder flä chigen Ausnehmungen, eingearbeitet werden müssen.

Für die Optimierung oder Abstimmung des gezielten Wärmeübergangs von der Innenwandung der Turbinenschaufel auf das Kühlmedium sind Einsätze mit Rip pen, Stegen oder Noppen vorgesehen, deren Geometrie und/oder Anordnung leicht veränderbar sind. Durch die Verwendung einer Reihe von Einsätzen mit va riierter Geometrie und/oder Anordnung kann die Optimierung der Kühlkontur in der Phase der Endentwicklung schnell und kostengünstig ausgeführt werden.

In Abhängigkeit der Aufgabenstellung seitens der Entwicklung können gemäß ei ner bevorzugten Variante mehrere Einsätze vorgesehen sein. Diese sind so ange ordnet, daß die betreffenden Konturabschnitte einzeln optimiert werden können. Dies ist insbesondere bei geometrisch komplizierten Konturverläufen von Vorteil, da sukzessive Abschnitte der Kontur gezielt beeinflußt werden können.

Zur Realisierung von weitgehend abgeschlossenen Kühlkanalverläufen sind am saugseitigen und am druckseitigen Konturabschnitt einander gegenüberliegend Einsätze vorgesehen, die aufeinander ausgerichtete Stege aufweisen. Die Stege können jeweils so weit in den Hohlraum hineingeführt sein, daß sie sich beinahe oder auch in radialer Richtung abschnittsweise berühren. Die Formteilung muß je doch so gewählt werden, daß ein Entformen nach dem Gießvorgang möglich ist. Das vorstehend beschriebene Konzept einer Gießform für Kerne eignet sich des halb hervorragend für den Einsatz im Entwicklungsbereich von Gasturbinen schaufeln. Ebenso kann es jedoch auch auf artverwandten Gebieten mit entspre chender Aufgabenstellung eingesetzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt die einzige

Figur Gießform in Schnittdarstellung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Der grundsätzliche Aufbau einer Gießform 1 ist Gegenstand der Figur. Die Gieß form 1 ist im Wesentlichen aus einem unteren Formteil 10 sowie zwei oberen Formteilen 20 und 30 aufgebaut.

In dem in der Figur dargestellten geschlossenen Zustand der Gießform 1 entsteht ein Formhohlraum 50, der zur Herstellung eines hier nicht dargestellten Kerns mit Schmelze befüllbar ist. Entsprechend dem vorgesehenen Einsatzzweck zur Her stellung eines Kerns für eine Gasturbinenschaufel weist der Formhohlraum 50 ein zelne Konturabschnitte auf, nämlich einen druckseitigen Konturabschnitt 51, der im Wesentlichen dem unteren Formteil 10 zugeordnet ist, sowie zwei saugseitige Konturabschnitte 52, 53, die im Bereich der oberen Formteile 20, 30 verlaufen. In den Übergangsbereichen zwischen dem unteren Formteil 10 und den oberen Formteilen 20, 30 liegen ein Hinterkantenkonturabschnitt 56 und ein Vorder kantenkonturabschnitt 55.

Aufgrund des sehr stark gekrümmten Konturenverlaufs des Hohlraums 50 bzw. des Kerns ist es erforderlich, zwei obere Formteilen 20, 30 vorzusehen, um ein einwandfreies Entformen zu ermöglichen. Die entsprechenden Öffnungsrich tungen sind durch die Pfeile A angedeutet.

Zur Optimierung des Wärmeübergangs im Bereich der Hinterkante einer hier nicht dargestellten Schaufel sind Modifikationen am Kern besonders einfach durch Ein sätze 60, 70, 80, 90 möglich. Zu diesem Zweck sind an dem unteren Formteil 10 eine Ausnehmung 12 und an dem oberen Formteil 20 eine Ausnehmung 22 vor gesehen. Diese sind in dem zu variierenden Bereich des druckseitigen Kontur abschnitts 51 und des saugseitigen Konturabschnitts 52, benachbart zum Hinter kanten-Konturabschnitt 56, angebracht. In die Ausnehmungen 12, 22 sind die Ein sätze 60, 70 eingesetzt und in hier nicht näher dargestellter Art und Weise, bei spielsweise durch Schrauben, in den Ausnehmungen 12, 22 gesichert. Alternativ zu den Einsätzen 60, 70 können die Einsätze 80, 90 verwendet werden, die sich hinsichtlich der Ausgestaltung von Stegen 82, 92 im Vergleich zu Rippen 62, 72 der Einsätze 60, 70 unterscheiden.

Es ist somit möglich, in zwei aufeinander folgenden Gießvorgängen im Wesentli chen übereinstimmende Kerne herzustellen, die sich hinsichtlich der Hinterkanten kontur unterscheiden. Weitere Variationen durch nicht näher dargestellte weitere Einsätze mit abweichend gestalteten Stegen, Rippen, Noppen oder dergleichen erlauben es, auf einfache Weise Kerne unterschiedlichster Konturierungen im in teressierenden Bereich erstellen. Ebenso ist es möglich, andere oder zusätzliche Einsätze in weiteren Konturabschnitten vorzusehen, um gezielte Variationen an anderen Bereichen der Konturabschnitte 51, 52, 53, 55, 56 vorzunehmen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, weitere Ausnehmungen entsprechend den Ausneh mungen 12, 22 in den Formteilen 10, 20, 30 an der jeweils gewünschten Stelle, gegebenenfalls auch nachträglich, anzubringen.

Bezugszeichenliste

1

Gießform

10

unteres Formteil

12

Ausnehmung

20

oberes Formteil

22

Ausnehmung

30

oberes Formteil

50

Hohlraum

51

druckseitiger Konturabschnitt

52

saugseitiger Konturabschnitt

53

saugseitiger Konturabschnitt

55

Vorderkanten-Konturabschnitt

56

Hinterkanten-Konturabschnitt

60

Einsatz

62

Rippe

70

Einsalz

72

Rippe

80

Einsatz

82

Steg

90

Einsatz

92

Steg
A Öffnungsrichtung

Claims

1. Gießform für den Kern einer Gasturbinenschaufel oder dergleichen, mit zu mindest einem oberen Formteil und einem unteren Formteil, die im ge schlossenen Zustand einen Formhohlraum bilden, der mit einer Schmelze befüllbar ist, wobei der Formhohlraum Konturabschnitte besitzt, die mit den Innenwandungen der mit Hilfe des Kerns hergestellten Gasturbinenschaufel korrespondieren, nämlich wenigstens einen saugseitigen Konturabschnitt, einen druckseitigen Konturabschnitt, einen Vorderkanten-Konturabschnitt sowie einen Hinterkanten-Konturabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modifikation von Bereichen der Konturabschnitte (51, 52, 53, 55, 56) zumindest ein auswechselbarer Einsatz (60, 70, 80, 90) am oberen Formteil (20, 30) und/oder unteren Formteil (10) vorgesehen ist.

2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Einsatz (60, 70, 80, 90) mit Rippen (62, 72), Stegen (82, 92) oder Nop pen versehen ist.

3. Gießform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einsätze (60, 70, 80, 90) vorgesehen sind.

4. Gießform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegen überliegende Bereiche des saugseitigen Konturabschnitts (52) und des druckseitigen Konturabschnitts (51) mit Einsätzen (60, 70, 80, 90) versehen sind, die aufeinander ausgerichtete Rippen (62, 72) oder aufeinander aus gerichtete Stege (82, 92) aufweisen.

5. Gießform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (62, 72) oder Stege (82, 92) derart geformt und angeordnet sind, daß sie einan der zumindest abschnittsweise berühren.

6. Verwendung der Gießform nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Optimierung der Hohlraumgeometrie einer Gasturbinenschaufel durch Va riation der Einsätze (60, 70, 80, 90).