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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Leichtbau-Turbinenschaufel für
eine Gasturbine, das wenigstens einen Hohlraum (2) aufweist,
wobei das Verfahren zumindest ein Gießen eines Schaufelelemtes (1)
mit einer Schaufelwandung und wenigstens einem von dieser umschlossenen
Hohlraum (2) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein
Schaufelelement, das mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist.
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Aus
der Europäischen
Patentschrift
EP 1
052 370 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelelementes
für eine
Gasturbine bekannt, wobei die Schaufelelemente mittels eines Gießverfahrens
hergestellt werden. Das hierin beschriebene Verfahren umfasst eine
Fertigung angepasster, strömungstechnischer
Oberflächen
an integral beschaufelten Rotoreinheiten. Das Verfahren bezieht
sich dabei auch auf die Neuteilfertigung und kann auf die gesamte Schaufeloberfläche, einschließlich ihres Übergangs zu
den benachbarten Bauteilen, angewendet werden. Das Verfahren bezieht
sich ferner auf Fügestellen,
welche durch Schweißen,
Kleben, Löten
oder einem sonstigen Fügeverfahren
entstehen und einer anschließenden
Materialbearbeitung, beispielsweise durch ein Abtragen, bedürfen. So
ist gemäß des hierin
beschriebenen Verfahrens vorgesehen, Aufmaße, welche beispielsweise beim
Schweißen
hervorgerufen werden, abzutragen und an die Sollkontur der Schaufelelementoberfläche anzupassen.
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Die
bekannten Verfahren zur Herstellung von Schaufelelementen für Hoch-,
Mittel- und Niederdruckturbinenstufen von Gasturbinen umfassen meist
ein Feingussverfahren, wobei die Schaufelelemente aus Ni- oder Co-Basislegierungen
hergestellt werden. Wenn im Betrieb die Gastemperaturen der Gasturbine über den
zulässigen
Materialtemperaturen liegen, werden die Schaufeln als Hohlschaufeln ausgebildet,
durch den ein Kühlmedium
geführt
wird, welches aus Kühlkanälen austritt,
die in der Schaufelwandung des Schaufelelementes vorgesehen sind. Ungekühlte Schaufeln
werden hingegen zum Teil als Vollschaufeln abgegossen und zum anderen
Teil wegen mechanischer Forderungen und aus Gewichtsgrün den auch
als Hohlschaufeln ausgeführt.
In der Ausführung
der Leitschaufeln werden Einzelschaufeln, welche meist für Hochdruckturbinen
eingesetzt werden, von Schaufeln aus Mitteldruckturbinen und Niederdruckturbinen
unterschieden, die in Segmenten mit mehreren aerodynamischen Profilen
und einem Innen- und einem Außendeckband
ausgeführt sind.
Bei Laufschaufeln gibt es hingegen Ausführungen ohne äußeres Deckband,
welche vorzugsweise bei Hochdruckturbinen Anwendung finden. Die
Laufschaufeln mit einem äußeren Deckband
werden vorzugsweise in Mitteldruckturbinen und Niederdruckturbinen
eingesetzt.
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Beim
Gießverfahren
entsteht häufig
das Problem, dass die minimalen Dicken der Schaufelwandung von 0,8
mm bis 1,0 mm nicht unterschritten werden können. Auch die minimalen Dicken
der Schaufelhinterkanten sind mit etwa 0,6 mm bis 0,8 mm in der
minimalen Dicke begrenzt.
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Die
mittlere Spannung aufgrund der Fliegkraftbelastung in einem beliebigen
Querschnitt des Schaufelelementes hängt von der radialen Position der
Schnittebene, der betrachteten Querschnittsfläche und der Fliegkraftbelastung
durch das radial außerhalb
der Schnittebene liegende Schaufelteil ab. Je weiter die gedachte
Schnittlinie nach außen
verlagert wird, umso geringer ist die Fliegkraftbelastung des dann
verbleibenden Schaufelbereiches und desto geringer ist das bei gegebener
Querschnittsfläche sich
ausbildende Spannungsniveau.
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Bei
Schaufelelementen, welche einen Hohlraum umfassen, ist hingegen
die gusstechnisch realisierbare minimale Wandstärke festgelegt. Aus mechanisch-dynamischer
Sicht könnte
die Wandstärke in
vielen Bereichen des Schaufelelementes jedoch deutlich geringer
sein. Eine Verringerung der Wandstärke wäre insbesondere im radial äußeren Bereich vorteilhaft.
Durch geringere Wandstärken
bei Schaufelelementen mit einem Hohlraum in Bereichen, die hinsichtlich
ihrer mechanischen Belastbarkeit nicht ausgelastet sind, kann eine
erhebliche Gewichtsreduzierung der Schaufelelemente erzielt werden.
Die Gewichtsreduktion ist dabei nicht nur im verringerten Schaufelgewicht
zu sehen, sondern auch in der daraus resultierenden Verringerung
der Fliegkraftbelastung der Scheiben, auf denen die Schaufelelemente angeordnet
sind, und der verringerten Anforderung an das Gehäuse der
Gasturbine.
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Der
Wirkungsgrad von Gasturbinen wird unter anderem durch die Dicke
der Schaufelhinterkanten bestimmt. Die Schaufelhinterkanten sind,
mit Ausnahme der lokal eng begrenzten Stellen in der Nähe der Deckbänder, oftmals
mechanisch nicht sehr hoch ausgelastet. Eine Verringerung der Wanddicke
der Schaufelelemente von beispielsweise 0,1 mm kann eine Wirkungsradverbesserung
von ca. 0,1% bewirken.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung eines Schaufelelementes für eine Gasturbine zu schaffen, bei
dem die Dicke der Schaufelwandung an die mechanische Belastung des
Schaufelelementes angepasst werden kann, und das Schaufelelement
zugleich im Gewicht reduziert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie ein Schaufelelement mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass folgend auf das Gießverfahren
die Schaufelwandung wenigstens teilweise durch Materialbearbeitung
in der Dicke reduziert wird. Damit wird der Vorteil erreicht, dass
die minimale Wanddicke der Schaufelwandung nicht auf die für einen
stabilen Gussprozess notwendige Mindestwanddicke begrenzt ist. Die
Schaufelwandung, welche sich im Sinne der vorliegenden Erfindung über den
gesamten Querschnitt des mit einem Hohlraum versehenen Schaufelelementes
erstreckt, und damit auch die Schaufelhinterkante mit umfasst, kann
durch die Materialbearbeitung nach dem Gießverfahren reduziert werden,
um diese einer optimalen mechanischen Beanspruchung anzupassen.
Die Materialbearbeitung kann sich dabei auf Teile der Oberfläche der
Schaufelwandung begrenzen, so dass nur einzelne Bereiche in der
Schaufelwandung in der Dicke reduziert werden können. Dies kann zusammenhängend erfolgen,
wobei die einzelnen Bereiche auch getrennt voneinander an unterschiedlichen
Stellen bearbeitet werden können.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird die Dicke der Schaufelwandung durch ein Abtragverfahren
reduziert. Das Abtragverfahren kann dabei ein EDM-, ein ECM- und/oder
ein PECM-Verfahren
umfassen. Elektrochemische Bearbeitungsverfahren eignen sich besonders
zur Bearbeitung von hochwarmfesten Turbinenwerkstoffen, welche aus
Ni- oder Co-Basislegierungen bestehen und schwer zerspannbar sind.
Eine bevorzugte Variante des elektrochemischen Abtragverfahrens
kann im Senkerodieren gesehen werden, bei dem an die zu erzeugende
Sollkontur Elektroden geformt werden, deren Formgebung in der gewünschten
Schaufelwandung des Schaufelelementes abgebildet werden kann. Das
PECM-Verfahren beschreibt ein sogenanntes „Pulsed Eletrochemical Machining", und beschreibt
ein neueres elektrochemisches Abtragverfahren mit der Anwendung
eines gepulsten Stroms. Dieses Verfahren kann für den vorliegenden Anwendungsfall
als besonders geeignet betrachtet werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaufelwandung
in diesem Verfahren wenigstens teilweise mit einem Übermaß gegossen wird,
und wobei das Übermaß durch
die Materialbearbeitung abgetragen wird und nach der Materialbearbeitung
das Fertigmaß aufweist.
Das Übermaß kann beliebig
groß gewählt werden,
jedoch ist es von Vorteil, das Übermaß wenigstens
im Kopfbereich des Schaufelelemts mit der gießtechnisch minimal erzeugbaren
Schaufelwandungsdicke vorzusehen, um die Dauer der Materialbearbeitung
durch das Abtragverfahren nicht unnötig zu verlängern.
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Es
kann vorgesehen sein, das Schaufelelement über der gesamten Schaufelwandung
mit einem Übermaß zu gießen, und
durch das anschließende
Abtragverfahren eine lokal unterschiedliche Materialdicke von der
Schaufelwandung abzutragen. Der Materialabtrag muss nicht auf die
Bereiche des Schaufelelementes beschränkt werden, in denen die gießtechnisch
minimale Schaufelwanddicke durch das Abtragverfahren unterschritten
werden soll. Es ist auch denkbar, dass zur Vermeidung von Krümmungssprüngen in
der Oberfläche
der Schaufelwandung und zur Vermeidung von auftretenden Stufen die
gesamte Oberfläche
des Schaufel elementes mit einem Übermaß versehen
wird, um alle Bereiche anschließend
abzutragen. Der Materialabtrag kann dabei lokal unterschiedlich
ausfallen. Auch im Hinblick auf eine gleichförmige Oberfläche über der
gesamten Schaufelwandung ist ein Abtrag über der gesamten Außenseite
des Schaufelelementes vorteilhaft.
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Hinsichtlich
der Geometrie des Schaufelelementes erstreckt sich dieses radial
von einem inneren Fußbereich
bis in einen äußeren Kopfbereich, wobei
das abzutragende Übermaß auf der
Schaufelwandung beim Gießen
in den Kopfbereich gelegt wird.
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Das
abzutragende Übermaß entsteht
fertigungsbedingt durch eine Dicke der Schaufelwandung, welche die
minimal gusstechnisch herstellbare Wanddicke beschreibt. Aus statischen,
dynamischen Gründen
ist eine Reduktion der Dicke der Schaufelwandung im Kopfbereich
besonders vorteilhaft, da hier die Fliegkräfte nicht mehr in der gleichen
Höhe auftreten,
wie im Fußbereich
des Schaufelelementes. Durch die Materialentnahme im Kopfbereich
des Schaufelelementes und damit durch die Massenreduktion verringern
sich wiederum die auftretenden Fliehkräfte im Fußbereich des Schaufelelementes. Die
gusstechnisch minimal erreichbaren Wanddicken im Fußbereich
des Schaufelelementes sind dabei mechanisch ausgelastet, und müssen nicht
weiter reduziert werden.
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Hinsichtlich
der axialen Erstreckung des Schaufelelementes ist die Geometrie
des Schaufelelementes durch einen axial vorderen Profilnasenbereich
bis hin zu einem hinteren Profilhinterkantenbereich beschreibbar.
Dabei ist vorgesehen, das abzutragende Übermaß beim Gießverfahren in den Profilhinterkantenbereich
zu legen. Eine Gesamtbetrachtung des Schaufelelementes macht deutlich,
dass sich der abzutragende Bereich im Wesentlichen vom Kopfbereich übergehend
in den Profilhinterkantenbereich erstreckt, und der Fußbereich, übergehend
in den Profilnasenbereich, keinen Abtrag aufweist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
können
die abzutragenden Bereiche über
der Oberfläche des
Schaufelelementes auch dadurch bestimmt werden, dass diese lokal
unterschiedliche Materialdicken aufweisen und die abzutragende Materialdicke
an sich im Material der Schaufelwandung minimal ausbildenden Wärmespannungen
angepasst wird. Die Verteilung der Materialdicke der Schaufelwandung nach
dem Abtragprozess weist eine Verteilung auf, die zu minimalen Wärmespannungen
im Betrieb des Schaufelelementes führt. Speziell bei wandgekühlten Schaufeln
kann die Materialverteilung für
die minimalen Wärmespannungen
optimiert werden. Hierdurch wird eine verbesserte Kühlung, die
zugleich zu einer Verlängerung
der Lebensdauer der Schaufelelemente führt, erzielt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass durch das Abtragverfahren eine Oberflächenstruktur in die Schaufelwandung
eingebracht wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass
die Senkelektrode beim ECM-Verfahren oder beim PECM-Verfahren das
Negativ der Oberflächenstruktur
aufweist, welches während
des Verfahrens in die Schaufelwandung eingebracht wird. Insbesondere
im Bereich der Profilhinterkante kann aus Gründen der Strömungsoptimierung
und einer positiven Beeinflussung der Strömungsgrenzschicht in oberflächennahen
Bereichen der Schaufelwandung dadurch eine Wirkungsgradsteigerung
erreicht werden, dass eine von einer glatten Oberfläche abweichende Struktur
eingebracht wird. Beispielsweise nach dem Prinzip einer Haifischhaut
oder auch nach dem Prinzip des kontrollierten Strömungsabrisses
strukturierte Oberflächen
seien hier erwähnt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Gießen
des Hohlraumes mit einer Kernform und das Abtragverfahren mittels
wenigstens einer Senkelektrode vorgenommen, wobei die Senkelektrode nach
dem Kern bzw. dem vom Kern erzeugten Hohlraum ausgerichtet wird,
um Wanddickentoleranzen in der Schaufelwandung zu minimieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass das Schaufelelement vor dem Abtragverfahren
einer thermischen Behandlung, umfassend einem HIP-Verfahren, unterzogen wird.
Das HIP-Verfahren
beschreibt ein heißisostatisches
Verdichten des Materials des Schaufelelementes, um das Freilegen
von eventuell im Gussteil vorhandener Lunker und Poren zu verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Schaufelelement,
welches mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das Schaufelelement
weist bereichsweise eine mittels eines Abtragsverfahrens behandelte
Schaufelwandung auf, wobei die Schaufelwandung zumindest bereichsweise
eine Dicke von 0,2 mm bis 0,7 mm, bevorzugt von 0,4 mm bis 0,6 mm
und besonders bevorzugt von 0,5 mm, aufweist. Diese Größenordnungen
sind mittels eines Feingussverfahrens oder eines MIM-Verfahrens, welches
ein Metal-Injection-Moulding-Verfahren beschreibt, nicht ohne weiteres
erreichbar. Das Schaufelelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist
durch Wanddicken gekennzeichnet, welche deutlich unterhalb der genannten
gießtechnisch
realisierbaren minimalen Wanddicken liegen.
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Vorteilhafterweise
nimmt die Dicke der Schaufelwandung vom Fußbereich bis in den Kopfbereich
ab, wobei die minimale Wanddicke im Kopfbereich 0,3 mm bis 0,6 mm,
bevorzugt 0,4 mm bis 0,5 mm und besonders bevorzugt 0,45 mm beträgt. Hinsichtlich
der axialen Erstreckung der Schaufelwandung nimmt diese in der Dicke
vom Profilnasenbereich bis in den Profilhinterkantenbereich ab,
wobei die minimale Wanddicke im Profilhinterkantenbereich 0,2 mm
bis 0,5 mm, bevorzugt 0,3 mm bis 0,45 mm und besonders bevorzugt
0,4 mm beträgt.
Die Oberfläche
der Schaufelelemente in den Bereichen, in denen die Dicke der Schaufelwandung
eine Dicke von 0,6 mm bis 0,8 mm unterschreiten, weisen eine mit einem
ECM- und/oder mit
einem PECM-Verfahren bearbeitete Oberfläche auf.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde, Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
darstellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Schaufelelementes, welches bereichsweise eine
mittels eines Abtragverfahrens bearbeitete Oberfläche aufweist;
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2 eine
Darstellung eines ersten Querschnittes des Schaufelelementes gemäß 1,
wobei die Lage des Querschnittes im Fußbereich des Schaufelelementes
liegt; und
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3 eine
Darstellung eines zweiten Querschnittes des Schaufelelementes gemäß 1,
wobei die Lage des Querschnittes im Kopfbereich des Schaufelelementes
liegt.
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Die 1 zeigt
ein Schaufelelement, welches mit dem Bezugszeichen 1 versehen
ist. Das Schaufelelement 1 ist in einer Seitenansicht gezeigt, in
der die radiale Erstreckung des Schaufelelementes 1 in
der Vertikalen und die axiale Erstreckung in der Horizontalen liegt.
Somit ist der untere Bereich des Schaufelelementes 1 mit
dem Fußbereich 4 und der
obere Bereich mit dem Kopfbereich 5 gekennzeichnet. Der
Bereich des Schaufelelementes 1, welcher mittels eines
Abtragverfahrens nach dem Gießverfahren
bearbeitet ist, ist durch einen schraffierten Bereich angedeutet.
Der schraffierte Bereich erstreckt sich daher über den Kopfbereich 5 bis
in den Fußbereich 4,
wobei im Kopfbereich 5 die gesamte Breite des Schaufelelementes 1 in
axialer Richtung bearbeitet ist, wohingegen im Fußbereich 4 lediglich der
Profilhinterkantenbereich 7 bearbeitet ist. Der Profilnasenbereich
(6) ist im Fußbereich 4 daher nicht
bearbeitet. Mittels einer gestrichelten Linie ist die Kernform 8 dargestellt,
welche für
die Schaffung des Hohlraumes – in 1 nicht
erkennbar – innerhalb
des Schaufelelementes 1 hergestellt wird. Die Ansicht des
Querschnittes aus 2 ist durch eine Schnittebene
II-II angedeutet, wobei die Querschnittsansicht gemäß der 3 durch
die Schnittebene III-III im Kopfbereich 5 des Schaufelelementes 1 angedeutet
ist.
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2 zeigt
den Querschnitt des Schaufelelementes 1 in der Querschnittsebene
II-II. Hierin ist der Hohlraum 2 erkennbar, durch den im
Betrieb Kühlluft
in das Schaufelelement 1 eingebracht wird, welche durch – nicht
weiter dargestellte – Kühlbohrungen
innerhalb der Schaufelwandung 3 zur Kühlung der Außenseite
der Schaufelwandung 3 hindurchgeführt wird. Der axial entgegen
der Strömungsrichtung
gelegene Profilnasenbereich ist durch das Bezugszeichen 6 wiedergegeben,
so dass sich das Schaufelelement 1 bis in den Profilhinterkantenbereich
gemäß des Bezugszeichens 7 erstreckt.
In der Schnittebene II-II ist mit Blick auf die 1 lediglich
der Profilhinterkantenbereich 7 durch ein Abtragverfahren
bearbeitet. Die mittels des Abtragverfahrens reduzierte Wanddicke
der Schaufelwandung 3 im Profilhinterkantenbereich 7 ist
durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Die strichpunktierte
Linie stellt den mittels des Gießverfahrens hergestellten Querschnitt
des Schaufelelementes 1 dar, wobei die durchgehende Linie
im Bereich der Schaufelhinterkante die Fertigkontur des Schaufelelementes 1 nach
dem Abtragverfahren darstellt.
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In 3 ist
das Schaufelelement 1 im Querschnitt dargestellt, wobei
die Schnittebene mit Blick auf die 1 in der
Ebene III-III im Kopfbereich 5 des Schaufelelementes 1 liegt.
Auch in 3 bezeichnet das Bezugszeichen 6 den
Profilnasenbereich und das Bezugszeichen 7 den Profilhinterkantenbereich, zwischen
denen sich die Schaufelwandung 3 erstreckt. Verglichen
zum Querschnitt gemäß der 3,
erstreckt sich der Hohlraum 2 über einen größeren Bereich
des Querschnitts des Schaufelelementes 1, wobei die Wanddicke
der Schaufelwandung 3 deutlich geringer ist als im Querschnitt
gemäß der 2.
Der gusstechnisch realisierbare minimale Querschnitt der Schaufelwandung 3 ist
durch die strichpunktierte Linie dargestellt, welche sich über der
gesamten Außenfläche der
Schaufelwandung 3 erstreckt und die gesamte Oberfläche der
Außenseite
des Schaufelelementes 1 im Kopfbereich 5 umschließt. Mittels
des Abtragsverfahrens wird nunmehr der gesamte Außenbereich
der Schaufelwandung 3 abgetragen, so dass die gusstechnisch
minimal realisierbare Wanddicke über
dem gesamten Querschnitt des Schaufelelementes 1 weiter
reduziert wird. Die minimale Wanddicke, welche deutlich unter 0,8
mm liegt, ist durch die Festkörperlinie
dargestellt und beschreibt die fertige Form des Schaufelelementes 1.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch
bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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- 1
- Schaufelelement
- 2
- Hohlraum
- 3
- Schaufelwandung
- 4
- Fußbereich
- 5
- Kopfbereich
- 6
- Profilnasenbereich
- 7
- Profilhinterkantenbereich
- 8
- Kernform