-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die
Ausführungsformen hierin betreffen im Wesentlichen Verfahren
zum Herstellen von Komponenten unter Verwendung von verlorenen Modellformen.
Insbesondere betreffen Ausführungsformen hierin im Wesentlichen
Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenkomponenten, wie zum Beispiel
Laufschaufeln, Leitschaufeln und Deckbändern unter Verwendung
einteiliger verlorener Kern- und Schalen-Modellformen mit darin
angeordneten Durchtrittsstangen.
-
STAND DER TECHNIK
-
Modellausschmelzgießen
oder das Wachsausschmelzverfahren werden zur Formung von komplexen
dreidimensionalen oder 3D-Komponenten aus einem geeigneten Material,
wie zum Beispiel Metall, verwendet.
-
Eine
Turbinenlaufschaufel enthält ein Schaufelblatt, das in
einem Stuck an seinem Fuß mit einer Laufschaufelplattform
verbunden ist, unter welcher es einstückig mit einem mehrlappigen
tragenden Schwalbenschwanz verbunden ist. Das Schaufelblatt ist
hohl und enthält einen oder mehrere radiale sich entlang
seiner Spanne erstreckende Kanäle, die im Inneren des Laufschaufelschwalbenschwanzes
beginnen, welcher einen oder mehrere Einlässe für
die Aufnahme von Druckkühlluft während des Betriebs des
Triebwerkes besitzt.
-
Das
Schaufelblatt kann verschiedene Ausführungen von komplizierten,
darin ausgebildeten Kühlkreisläufen haben, um
die Kühlung der unterschiedlichen Abschnitte der gegenüberliegenden Druck-
und Saugseiten des Schaufelblattes zwischen dessen Vorder- und Hinterkanten
und von dem Fuß an der Plattform bis zu der radialen Außenspitze
gezielt anzupassen.
-
In
aktuellen Laufschaufelkonstruktion en können komplexe Kühlkreisläufe
einen speziellen Kanal im Inneren des Schaufelblattes entlang der Vorderkante
zur Erzeugung einer internen Prallkühlung davon enthalten.
Ein spezieller Kanal entlang der dünnen Hinterkante des
Schaufelblattes stellt dessen spezielle Kühlung sicher.
In der Mitte des Schaufelblattes kann zwischen der Vorder- und der Hinterkante
ein Mehrfachserpentinenkanal angeordnet sein. Die drei Kühlkreisläufe
des Schaufelblattes haben entsprechende Einlässe, die sich
durch den Laufschaufelschwalbenschwanz hindurch erstrecken, um getrennt
Druckkühlluft aufzunehmen.
-
Die
Kühlkanäle in dem Schaufelblatt können lokale
Merkmale wie zum Beispiel kurze Verwirblerrippen oder -stifte zur
Steigerung der Wärmeübertragung zwischen den erwärmten
Seitenwänden des Schaufelblattes und der internen Kühlluft
enthalten. Die Zwischenwände oder Brücken, welche
die radialen Kanäle des Schaufelblattes trennen, können
kleine Umgehungslöcher darin enthalten, wie zum Beispiel
die typischen Prallkühlungslöcher, die sich durch
die vordere Brücke des Schaufelblattes für eine
Prallkühlung der Innenseite der Vorderkante während
des Betriebs erstrecken.
-
Derartige
Turbinenlaufschaufeln werden typischerweise aus hochfesten Superlegierungsmetallmaterialien
in herkömmlichen Gießverfahren hergestellt. In
dem herkömmlichen Modellausschmelzgießen oder
Wachsausschmelzverfahren wird zuerst ein genauer Keramikkern hergestellt,
so dass er den gewünschten komplizierten Kühlkanälen
in der Turbinenlaufschaufel entspricht. Eine genaue Gießform oder
Form wird ebenfalls erzeugt, welche die genaue 3D-Außenoberfläche
der Turbinenlaufschaufel einschließlich ihres Schaufelblattes,
der Plattform und des einteiligen Schwalbenschwanzes definiert.
-
Der
Keramikkern wird im Inneren von zwei Gießformhälften
eingebaut, welche einen Zwischen- oder Leerraum dazwischen ausbilden,
der die sich ergebenden Metallabschnitte des Laufschaufelblattes
definiert. Wachs wird in die zusammengebauten Formen zum Füllen
des Leerraums eingespritzt und umgibt den darin eingekapselten Keramikkern.
Die zwei Gießformhälften werden geteilt und von
dem geschmolzenen Wachs entfernt. Das geschmolzene Wachs hat die
genaue Konfiguration der gewünschten Laufschaufel und wird
dann mit einem keramischen Material beschichtet, um eine umgebende
Keramikschale zu erzeugen.
-
Das
Wachs wird geschmolzen und aus der Schale entfernt und hinterlässt
dabei einen entsprechenden Hohl- oder Zwischenraum zwischen der
Keramikschale und dem inneren Keramikkern. Geschmolzenes Metall
wird dann in die Schale gegossen, um den Leerraum darin aufzufüllen
und wiederum den in der Schale enthaltenen Keramikkern einzukapseln.
-
Das
geschmolzene Metall wird abgekühlt und verfestigt und dann
werden die äußere Schale und der innere Kern in
geeigneter Weise unter Hinterlassung des gewünschten metallischen
Turbinenblattes entfernt, in welchem die Innenkühlkanäle
zu finden sind.
-
Die
gegossene Turbinenlaufschaufel kann dann anschließende
Herstellungsprozesse durchlaufen, wie zum Beispiel das Bohren geeigneter
Reihen von Filmkühlungslöchern durch die Seitenwand des Schaufelblattes
nach Wunsch, um Auslässe für die intern geführte
Kühlluft zu erzeugen, welche dann einen schützenden
Kühlluftfilm oder -mantel über der Außenoberfläche
des Schaufelblattes während des Betriebs in dem Gasturbinentreibwerk
erzeugt.
-
Der
Gasturbinenwirkungsgrad wird typischerweise durch Erhöhen
der Temperatur der während des Betriebs erzeugten heißen
Verbrennungsgase, aus welchen Energie durch die Turbinenlaufschaufeln
entzogen wird, erhöht. Die Turbinenlaufschaufeln sind aus
Superlegierungsmetallen, wie zum Beispiel auf Nickel basierenden
Superlegierungen, für ihre verbesserte Festigkeit bei hohen
Temperaturen ausgebildet, um die Haltbarkeit und Nutzlebensdauer
der Turbinenlaufschaufeln zu erhöhen.
-
Die
in den Schaufelblättern vorgesehenen komplizierten Kühlkreisläufe
sind für den Schutz der Schaufelblätter vor den
heißen Verbrennungsgasen für die erwünschte
lange Lebensdauer der Laufschaufeln in einem arbeitenden Turbinentriebwerk unerlässlich.
-
Die
Kühlkreisläufe in den Turbinenlaufschaufeln werden
zunehmend komplexer und komplizierter, um den Einsatz der limitierten
Druckkühlluft genau anzupassen und deren Kühlwirkungsgrad
zu maximieren. Jede von dem Verdichter während des Betriebs
für die Kühlung der Turbinenlaufschaufeln abgezweigte
Kühlluft wird nicht für den Verbrennungsprozess
verwendet und verringert dementsprechend den Gesamtwirkungsgrad
des Triebwerkes.
-
Neuere
Entwicklungen zur Verbesserung der Turbinenschaufelblattkühlung
beinhalten die Einführung von Doppelwänden darin,
um die lokale Kühlung des Schaufelblattes dort wo erwünscht
zu verbessern. Das typische Schaufelblatt enthält Hauptkanäle,
wie zum Beispiel die speziellen Vorderkanten- und Hinterkantenkanäle
und die Mehrfachserpentinenkanäle, welche die Primärkühlung
des Schaufelblattes bereitstellen. Diese Kanäle sind typischerweise
zwischen den dünnen Druck- und Saugseitenwänden des
Schaufelblattes welche etwa 1,2 mm (40 bis 50 mils) dick sein können,
definiert.
-
Durch
die Einführung einer doppelwandigen Konstruktion des Schaufelblattes
wird eine dünne Innenwand zwischen den Hauptseitenwänden
des Schaufelblattes und den Hauptkanälen darin bereitgestellt,
um Hilfs- oder Sekundärkanäle zu definieren, welche
relativ eng sind. Die sekundäre Wand kann dadurch hindurch
verlaufende Pralllöcher enthalten, um aus den Hauptströmungskanälen
Prallkühlluft gegen die Innenoberfläche der Hauptseitenwände
zu führen.
-
Die
Einführung der Doppelwandkonstruktion und der engen Sekundärströmungskanäle
trägt zu der Komplexität der bereits komplexen
keramischen Kerne bei, die bei einem typischen Modellausschmelzgießen
von Turbinenlaufschaufeln verwendet werden. Siehe beispielsweise
U.S. Patent Nr. 5,484,258 ;
5,660,524 ;
6,126,396 ; und
6,174,133 . Da der Keramikkern identisch
mit den verschiedenen Innenhohlräumen in dem Schaufelblatt übereinstimmt, welche
die verschiedenen Kühlkanäle und deren Merkmale
repräsentieren, wird er dementsprechend komplexer wenn
die Kühlkreise in der Komplexität zunehmen.
-
Jeder
radiale Kanal des Schaufelblattes erfordert einen entsprechenden
radialen Schenkel in dem keramischen Kern, und die Schenkel müssen
in geeigneter Weise miteinander verbunden oder während
des Gießprozesses anderweitig im Inneren der zwei Formen
unterstützt sein. Wenn die Keramikkernschenkel dünner
werden, wie zum Beispiel für die sekundären Kanäle,
nimmt deren Festigkeit dementsprechend ab, was zu einer Reduzierung der nutzbaren
Ausbeute während der Herstellung der Kerne führt,
die einem Sprödbruch während der Handhabung unterliegen.
-
Da
die Keramikkerne getrennt hergestellt und dann in die zwei Gießformhälften
eingebaut werden, unterliegt deren relative Positionierung entsprechenden
Einbautoleranzen. Die Wände des Schaufelblattes sind, um
damit zu beginnen, relativ dünn und die Merkmale des Keramikkerns
sind ebenfalls klein und präzise. Daher unterliegt die
relative Position des Keramikkerns im Inneren der Gießformhälften Einbautoleranzen,
welche die Endabmessungen und die relative Position des komplizierten
Kühlkreislaufs innerhalb der dünnen Wände
des sich ergebenden Schaufelblattes beeinflussen.
-
Zusätzlich
befassen sich aktuelle Verfahren zum Herstellen von Turbinenkomponenten
typischerweise nur mit den zum Herstellen des Innenkerns erforderlichen
Schritten. Siehe beispielsweise U. S. Patentanmeldung 2005/0006047.
Derartige Verfahren erfordern immer noch die Verwendung von Wachsgießformen,
einer Wachseinspritzung und/oder einer externen Keramikmantelbeschichtung,
um eine Gießform für den endgültigen
Guss der Komponente herzustellen.
-
Demzufolge
verbleibt ein Bedarf nach vereinfachten Verfahren zum Herstellen
von Gasturbinenkomponenten und insbesondere Schaufelblättern mit
komplexen Innenkonstruktionen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Hierin
beschriebene Ausführungsformen betreffen im Wesentlichen
Verfahren, welche das Erzeugen einer einteiligen verlorenen Kern-
und Schalen-Modellform einer authentischen Gasturbinenkomponente,
das Einführen wenigstens einer Durchtritts stange durch
die einteilige verlorene Kern- und Schalen-Modellform, das Gießen
einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform im Inneren
der einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform, das Entfernen
der einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform, um die
einteilige Kern- und Schalen-Gießform mit der wenigstens
einen darin angeordneten Durchtrittstange zu erhalten, das Gießen
eines Replikats der authentischen Gasturbinenkomponente unter Verwendung
der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform und das Entfernen
der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform und der wenigstens
einen Durchtrittsstange beinhalten, um das Replikat der authentischen
Gasturbinenkomponente zu erhalten.
-
Ausführungsformen
hierin betreffen auch im Wesentlichen Verfahren, welche das Erzeugen
eines numerischen Modells einer authentischen Gasturbinenkomponente,
wobei das numerische Modell eine darum herum angeordnete äußere
Schalen-Modellform besitzt, das Herstellen einer einteiligen verlorenen
Kern- und Schalen-Modellform der authentischen Gasturbinenkomponente,
das Herstellen einer einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform einer
authentischen Gasturbinenkomponente, das Einführen wenigstens
einer Durchtrittsstange durch die einteilige verlorene Kern- und
Schalen-Modellform, das Gießen einer einteiligen Kern-
und Schalen-Gießform im Inneren der einteiligen verlorenen Kern-
und Schalen-Modellform, das Entfernen der einteiligen verlorenen
Kern- und Schalen-Modellform, um die einteilige Kern- und Schalen-Gießform mit
wenigstens einer darin angeordneten Durchtrittstange zu erhalten,
das Gießen eines Replikats der authentischen Gasturbinenkomponente
unter Verwendung der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform
und das Entfernen der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform
und der wenigstens einen Durchtrittsstange beinhalten, um das Replikat
der authentischen Gasturbinenkomponente zu erhalten.
-
Ausführungsformen
hierin betreffen auch Verfahren, welche das Bereitstellen eines
numerischen Modells eines authentischen Schaufelblattes mit mehreren
Innenkanälen, wobei das numerische Model unter Verwendung
von computerunterstützter Auslegung erzeugt wird und eine
darum herum angeordnete Außenschale besitzt, das Herstellen
einer einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform des numerischen
Modells des authentischen Schaufelblattes unter Anwendung eines
additiven Schichten-Herstellungsverfahrens, das aus der aus Mikrostiftabscheidung,
selektivem Lasersintern, Laserdrahtabscheidung, Schmelzabscheidung,
Tintenstrahlabscheidung, Elektronenstrahlschmelzen, ”Laser
Engineered Net Shaping”, direkter Laser-Metallsinterung,
Direktmetallabscheidung und Kombinationen davon bestehenden Gruppe
ausgewählt ist, das Einsetzen von mehreren Durchtrittsstangen durch
die einteilige verlorene Kern- und Schalen-Modellform, Gießen
einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform mit einem
keramischen Brei im Inneren der einteiligen verlorenen Kern- und
Schalen-Modellform, Härten des keramischen Breis, um die
einteilige Kern- und Schalen-Gießform mit einer verfestigten Keramik
zu erzeugen, das Entfernen der einteiligen verlorenen Kern- und
Schalen-Modellform, um die einteilige Kern- und Schalen-Gießform
mit den mehreren darin angeordneten Durchtrittstange zu erhalten,
das Gießen eines Replikats des authentischen Schaufelblattes
unter Verwendung der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform
und das Entfernen der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform
und der mehreren Durchtrittsstangen beinhalten, um das Replikat
des authentischen Schaufelblattes zu erhalten.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Obwohl
die Beschreibung mit Ansprüchen endet, welche besonders
und eindeutig auf die Erfindung hinweisen und dieses beanspruchen,
glaubt man, dass die hierin dargestellten Aus führungsformen
besser aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten Figuren verstanden wird, in welchen gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente unabhängig davon bezeichnen,
ob sie unter Bezugnahme auf authentische Komponenten oder deren
Modelle beschrieben werden, wie es hierin nachstehend dargelegt
wird.
-
1 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
einer authentischen Turbinenlaufschaufel gemäß der
Beschreibung hierin;
-
2 ist
eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der Turbinenlaufschaufel
von 1 entlang der Linie A-A;
-
3 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
Verfahrens zur Verwendung einer authentischen Turbinenlaufschaufel
zum Erzeugen eines numerischen Modells der Laufschaufel sowie einer
entsprechenden einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform
davon;
-
4 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform
eines numerischen 2D-Modells der Turbinenlaufschaufel von 2 mit
einer hinzugefügten äußeren Kern- und Schalen-Modellform
darum herum;
-
5 ist
eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform
der einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform von 3 entlang X-X
mit hinzugefügten sich dadurch hindurch erstreckenden Durchtrittsstangen;
-
6 ist
eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform
der einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform von 5 nach
Einspritzung eines Formmaterials zum Füllen der Hohlräume
und zum Erzeugen einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform;
-
7 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform nachdem die
verlorene Kern- und Schalen-Modellform entfernt worden ist;
-
8 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform
einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform nach Einspritzung
einer Legierung zum Erzeugen eines Replikats der authentischen Turbinenlaufschaufel;
-
9 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Replikats der authentischen
Turbinenlaufschaufel nach der Entfernung des Schalenabschnittes
der einteiligen Gießform; und
-
10 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des Replikats der authentischen Turbinenlaufschaufel nach der Entfernung
des Kernabschnittes der einteiligen Gießform und der Durchtrittsstangen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Ausführungsformen
hierin betreffen im Wesentlichen Verfahren zum Herstellen von Gasturbinenkomponenten
unter Verwendung einer einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform.
Insbesondere betreffen die Ausführungsformen hierin im
Wesentlichen Verfahren, welche die Erzeugung einer einteiligen verlorenen
Kern- und Schalen-Modellform einer authentischen Gasturbinenkomponente,
das Einführen wenigstens einer Durchtrittsstange durch die
einteilige verlorene Kern- und Schalen-Modellform, das Gießen
einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform im Inneren
der einteiligen verlorenen Kern- und Scha len-Modellform mit der
wenigstens einen Durchtrittsstange darin, das Entfernen der einteiligen
verlorenen Kern- und Schalen-Modellform, um die einteilige Kern-
und Schalen-Gießform zu erhalten, das Gießen eines
Replikats der authentischen Gasturbinenkomponente unter Verwendung
der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform und das Entfernen
der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform und der wenigstens
einen Durchtrittsstange um das Replikat der authentischen Gasturbinenkomponente
zu erhalten, beinhalten.
-
Obwohl
Ausführungsformen hierin im Wesentlichen die Herstellung
von Turbinenlaufschaufeln beschrieben, dürfte es sich für
den Fachmann auf diesem Gebiet verstehen, dass die Beschreibung nicht
diesbezüglich eingeschränkt sein sollte. Die vorliegenden
Ausführungsformen sind auf die Herstellung jeder Komponente
mit einem Kern, wie zum Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt,
Turbinenlaufschaufeln und Abschnitte davon, Turbinendüsen, einschließlich
Leitschaufeln und Bändern und Deckbändern anwendbar.
-
In
den Figuren stellt 1 eine authentische Turbinenlaufschaufel 10 (hierin
nachstehend als ”Turbinenlaufschaufel” oder ”Laufschaufel” bezeichnet)
dar, welche eine Ausführungsform einer Gasturbinenkomponente 11 ist,
die unter Anwendung der hierin beschriebenen Verfahren hergestellt
werden kann. Mit ”authentisch” ist eine Komponente
gemeint, die für einen Einbau und Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk
geeignet ist. Die Turbinenlaufschaufel 10 kann ein Schaufelblatt 12 enthalten,
welches im Wesentlichen eine konkave Druckseite 14 und
im Wesentlichen eine dieser gegenüberliegende konvexe Saugseite 16 enthält.
Das Schaufelblatt 12 kann in einem Stuck mit einer Plattform 18 an
dem Fuß 20 des Schaufelblattes 12 verbunden
sein. Die Plattform 18 kann eine innere Begrenzung für
die heißen Verbrennungsgase definieren, welche über
das Schaufel blatt 12 während des Triebwerksbetriebs
passieren. Ein mehrlappiger Befestigungsschwalbenschwanz 22 kann
ebenfalls in einem Stück unter der Plattform 18 ausgebildet
sein, um das Turbinenschaufelblatt 10 in einem entsprechenden
Schwalbenschwanzschlitz in dem Umfang einer Turbinenrotorscheibe
zu befestigen.
-
Die
Laufschaufel 10 kann einwandig oder mehrwandig sein und
eine komplexe dreidimensionale oder 3D-Konfiguration nach Bedarf
für ihren zweckgemäßen Einsatz in einem
Gasturbinentriebwerk enthalten. Wie erwähnt, kann der Schaufelblattabschnitt
der Laufschaufel 10 einen im Wesentlichen hohlen Innenraum 21 (dargestellt
in 1) enthalten, der einen geeigneten internen Kühlkreislauf
mit wenigstens einem Innenkanal 24 enthalten kann, der wenigstens
einen Teilabschnitt des hohlen Innenraums gemäß Darstellung
in 2 belegt. Wie hierin verwendet, bedeutet ”wenigstens
einer”, dass einer oder mehr als einer vorhanden sein können.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform
kann der hohle Innenraum mehrere interne Kanäle 24 enthalten.
Die Kanäle 24 können zwischen den Seiten
des Schaufelblattes positioniert sein und sich über die
Länge der Laufschaufel 10 erstrecken, um (nicht
dargestellte) Einlagen zu erzeugen, welche sich durch die Plattform
und den Schwalbenschwanz hindurch zur Aufnahme von Druckkühlluft
während des Triebwerksbetriebs erstrecken können.
Einige Kanäle 24 können miteinander über
eine Öffnung 39 verbunden sein, die einen Fluidaustausch
zwischen den Kanälen erlaubt. Die Öffnung 39 kann
beispielsweise ein Querverbindungsprallloch oder ein Hinterkantenschlitz
sein.
-
Gemäß 3 kann
ein numerisches Modell der Turbinenlaufschaufel 10 in jeder
herkömmlichen Weise einschließlich mittels computerunterstützter Konstruktion
(CAD), welche in einem herkömmlichen Computer 26 geeignet
programmierte Software nutzt, konstruiert und definiert werden. ”Numerisches Modell” bezieht
sich auf ein mittels Computer erstelltes Modell der Komponente.
Es ist allgemeine Praxis numerische Modelle von hochkomplexen Teilen
wie zum Beispiel Turbinenlaufschaufeln unter Verwendung von numerischen
3D-Koordinaten der gesamten Konfiguration der Komponente einschließlich
sowohl ihrer Außen- als auch Innenoberflächen
zu erzeugen. Demzufolge kann die Turbinenlaufschaufel 10 durch
ihr zweidimensionales oder numerisches 2D-Modell 28 gemäß Erzeugung
durch einen Computer 26 dargestellt werden. Das numerische
Modell 28 kann eine präzise Definition der gesamten
Außenoberfläche der Laufschaufel einschließlich
des Schaufelblattes, der Plattform und des Schwalbenschwanzes sowie
seiner Innenkanäle und Öffnungen enthalten. In
einer in 4 dargestellten Ausführungsform
kann das numerische Modell 28 eine durch einen Computer
erzeugte äußere Schalen-Modellform 30 enthalten,
die darum herum hinzugefügt wird, die bei der späteren
Herstellung einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform,
wie es hierin nachstehend erläutert wird, unterstützt.
-
Gemäß 3 kann,
sobald ein numerisches Modell 28 mit einer äußeren
Schalen-Modellform 30 (gemäß Darstellung
in 4) erzeugt ist, eine einteilige verlorene Kern-
und Schalen-Modellform unter Verwendung eines beliebigen schnellen
Prototypen- oder additiven Schichtherstellungsverfahrens, die dem
Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, erstellt werden. Einige
Beispiele von zulässigen additiven Schichtherstellungsverfahren
umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Mikrostiftabscheidung, wobei
flüssige Medien genau an der Stiftspitze ausgegeben und
dann gehärtet werden; selektives Lasersintern, wobei ein
Laser verwendet wird, um ein Pulvermedium an genau gesteuerten Stellen
zu sintern; Laserdrahtabscheidung, in welcher ein Drahtzuführungsmaterial
durch einen Laser geschmolzen und dann abgeschieden und an präzisen
Stellen ver festigt wird, um das Produkt aufzubauen; Schmelzabscheidung
durch Extrusion eines dünnen ABS-Kunststoffdrahtes in mehreren
Schichten, um das Produkt aufzubauen; Tintenstrahlabscheidung, wobei
mehrere Tintenstrahldüsen das Formmaterial abscheiden und
Material falls erforderlich gemäß der durch das
numerische Modell definierten Geometrie unterstützen; Elektronenstrahlschmelzen;
Laser Engineered Net Shaping (LENS®);
direktes Metalllasersintern; und direkte Metallabscheidung.
-
Als
ein Beispiel kann in der in 3 dargestellten
Ausführungsform eine Stereolithographie-(SLA)-Maschine 32 verwendet
werden, um die einteilige verlorene Kern- und Schalen-Modellform 34 (oder ”verlorene
Modellform”) zu erzeugen, welche dann zum Herstellen eines
Replikats der authentischen Turbinenlaufschaufel gemäß nachstehender Erläuterung
verwendet werden kann. Die SLA-Maschine 32 kann jede herkömmliche
Konfiguration besitzen und einen Laser 36 enthalten, der
auf dem Ende eines Roboterarmes 38 befestigt ist, der in
einem 3D-Raum durch die numerische Steuerung der Maschine, die zur
Steuerung ihrer verschiedenen Funktionen digital programmierbar
ist, gesteuert und positioniert werden kann.
-
Jedes
geeignete SLA-Material 40, wie zum Beispiel flüssiges
Harz kann in einem Bad enthalten sein, und ein von dem Laser 26 emittierter
Laserstrahl kann dazu genutzt werden, um Material 40 lokal
zu härten, um dadurch ein verfestigtes SLA-Material 41 zu
erzeugen und eine verlorene Modellform 34 zu schaffen.
Die verlorene Modellform 34 kann auf jeder geeigneten Halterung
in dem Bad unterstützt werden und kann Schicht für
Schicht aufgebaut werden, da der Laserstrahl 42 genau über
die volle Konfiguration der Form 34 geführt wird,
wobei er den Dimensionen eines im Computer 26 gespeicherten
numerischen Modells 28 folgt.
-
Falls
gewünscht, kann ein (nichtdargestelltes) Unterstützungsmaterial
bestehend aus Wachs oder einem thermoplastischen Kunststoff gleichzeitig oder
abwechselnd mit dem SLA-Material abgeschieden werden, um eine Unterstützung
für die verlorene Modellform während der Herstellung
bereitzustellen. Sobald die Konstruktion der verlorenen Modellform abgeschlossen
ist, kann das unterstützende Material beispielsweise durch
Schmelzen oder Auflösen entfernt werden.
-
Das
numerische Modell 28 der Laufschaufel 10 kann
zum Erzeugen der verlorenen Modellform 34 unter Verwendung
der SLA-Maschine 32 so verwendet werden, dass die verlorene
Modellform 34 und die authentische Laufschaufel 10 praktisch
mit der Ausnahme der Materialzusammensetzung identisch sind. Die
Laufschaufel 10 kann aus jedem geeigneten Legierungs- oder
Superlegierungsmetall erzeugt werden, wie es für die meisten
Gasturbinentriebwerksanwendungen typisch ist, während die
verlorene Modellform 34 beispielsweise aus jedem geeigneten
SLA-Material 40 hergestellt werden kann, das durch Laser 36 gehärtet
werden kann, um ein verfestigtes SLA-Material 41 zu erzeugen.
Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die Materialien, die
zum Erstellen der verlorenen Modellform 34 verwendet werden,
abhängig von dem Herstellungsverfahren variieren können.
-
Die
einteilige verlorene Modellform 34 kann beispielsweise
durch verfestigtes SLA-Material 41 definiert werden und
kann ein genaue äußere Konfiguration und Oberflächen
für die gesamte Laufschaufel sowie den genauen internen
Kühlkreislauf darin einschließlich aller Kanäle
und gewünschten Öffnungen enthalten. So wie hierin
durchgängig verwendet, bedeutet ”einteilig”,
dass der Kern und die Schale als eine einteilige Struktur statt
als unabhängige Teile miteinander verbunden sind. 3 stellt eine
perspektivische Querschnittsansicht der verlorenen Modellform 34 dar,
wobei jedoch der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, dass
die verlorene Modellform 34 der gesamten Laufschaufel entspricht, wie
es durch die Strichlinien angezeigt wird. Die Abmessungen der einteiligen
verlorenen Kern- und Schalen-Modellform 34 können
nach Wunsch variieren, um die verschiedenen Merkmale der Laufschaufel
mit der gewünschten Genauigkeit zu reproduzieren. Wie der
Fachmann auf diesem Gebiet erkennen wird, erfordert eine größere
Genauigkeit in der verlorenen Modellform 34 mehr Datenpunkte
in dem numerischen Modell 28, was nur durch den praktischen Einsatz
des numerischen Modells bei der Steuerung der SLA-Maschine eingeschränkt
ist.
-
Ein
Querschnitt einer Ausführungsform der sich ergebenden einteiligen
verlorenen Kern- und Schalen-Modellform 34, die aus verfestigtem SLA-Material
besteht, ist in 5 dargestellt. Da das verfestigte
SLA-Material 41 ein nichtmetallisches Material mit geringer
Festigkeit sein kann, dem die Festigkeit von Metall fehlt, kann
es erwünscht sein, die einteilige verlorene Kern- und Schalen-Modellform 34 einzukapseln,
um eine zusätzliche Unterstützung dafür
bereitzustellen. Jedes geeignete Verfahren zur Einkapselung, das
dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, ist für die Anwendung
hierin zulässig. Umgekehrt kann, wenn das verfestigte SLA-Material eine
ausreichende Festigkeit besitzt, um dem Einspritzdruck des Gießprozesses
zu widerstehen, eine zusätzliche Unterstützung
nicht erforderlich sein.
-
Zusätzlich
können wenigstens eine Durchtrittsstange 43, und
gemäß Darstellung in 5 mehrere
Durchtrittsstangen 43 verwendet werden, um eine Unterstützung
für die verlorene Modellform 34 bereitzustellen
und eine korrekte Ausrichtung zwischen dem Kern und der Schale während
des Gießvorgangs sicherzustellen. Durchtrittsstangen 43 können
aus jeder Zusammenset zung hergestellt sein, welche mit herkömmlichen
Gießverfahren kompatibel ist, einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt, Quarz oder Aluminiumoxid.
Jedoch können im Gegensatz zu im Fachgebiet verwendeten
herkömmlichen Stangen, welche nur eine Außenoberfläche
der Modellform berühren, die Durchtrittsstangen 43 hierin
eine ausreichende Länge besitzen, um wenigstens die Breite
W der verlorenen Modellform, welche mit der Lage variieren kann
(siehe 5), zu überspannen. Indem man zulässt,
dass die Durchtrittsstangen die verlorene Modellform durchdringen,
kann die Form unterstützt und die Ausrichtung zwischen
dem Kern und der Schale der verlorenen Modellform durchgängig
durch den Herstellungsprozess des Replikats der authentischen Komponenten
aufrecht erhalten werden.
-
Der
Durchmesser der Durchtrittsstangen 43 kann ebenfalls variieren.
Jedoch können in einer Ausführungsform die Durchtrittsstangen 43 einen Durchmesser
von etwa 0,64 mm (0,025 inches) bis etwa 1,7 mm (0,065 inches) haben
und in einer Ausführungsform von etwa 1 mm bis 1,5 mm (0,040
inches bis etwa 0,060 inches). Ferner können alle Durchtrittsstangen 43 denselben
Durchmesser, unterschiedliche Durchmesser haben oder jede von den
Durchtrittsstangen kann einen variierenden Durchmesser entlang ihrer
Länge aufweisen.
-
Die
Durchtrittsstangen 43 können in die verlorene
Modellform 34 beispielsweise eingeführt werden,
indem die Durchtrittsstangen durch Löcher 47 und/oder Öffnungen 39 gedrückt
werden. Wie vorstehend erwähnt, können die Öffnungen 39 in
der verlorenen Modellform enthalten sein, um die Luftströmung
in dem Replikat der authentischen Laufschaufel zu unterstützen.
Die Löcher 47 können in die verlorene
Modellform nach der Herstellung unter Verwendung jedes herkömmlichen
Bohrwerkzeuges gebohrt werden oder alternativ können die
Löcher 47 in der verlorenen Modellform während
der Herstellung ähnlich wie die Öffnungen 39 eingefügt
werden. Gemäß Darstellung in 5 können
in einer Ausführungsform die Löcher 47 so
positioniert sein, dass sie zu Öffnungen 39 so
ausgerichtet sind, dass eine einzelne Durchtrittsstange 43 eine Öffnung 39 und
Löcher 47 passieren kann. Diese Konfiguration
kann erwünscht sein, um zusätzliche Löcher
in dem sich ergebenden Replikat des authentischen Laufschaufelblattes
zu verhindern, die vor dem Einsatz, wie es hierin nachstehend erläutert
wird, repariert oder gefüllt werden müssen.
-
Gemäß Darstellung
in 6 kann eine einteilige Kern- und Schalen-Gießform 44 im
Inneren der verlorenen Modellform 34 durch Ausfüllen
der Hohlräume darin gegossen werden. Die Kern- und Schalen-Gießform 44 kann
gegossen werden, indem unter Druck jedes geeignete Gießformmaterial
eingespritzt wird, welches in einer Ausführungsform ein
keramischer Brei sein kann. Die Durchtrittsstangen 43 können
dazu beitragen, dass die verlorene Modellform 34 dem Einspritzdruck
des Formmaterials widersteht, und zur Sicherstellung beitragen,
dass die einteilige Gießform 44 die gewünschte
Konfiguration beibehält. Nach dem Einspritzen des Gießformmaterials
in die verlorene Modellform 34 kann das Gießformmaterial
unter Anwendung im Fachgebiet bekannter Techniken, wie zum Beispiel
durch Trocknen und Erwärmen, verfestigt werden. Das Ergebnis
ist eine einteilige Kern- und Schalen-Gießform 44 (oder ”einteilige
Gießform”) mit einem Kernabschnitt 49 und
einem Schalenabschnitt 50, wie sie in 6 dargestellt
sind. In einer Ausführungsform kann die einteilige Gießform 44 aus
verfestigter Keramik bestehen.
-
Die
verlorene Kern- und Schalen-Modellform 34 kann dann entfernt
werden, was die einteilige Kern- und Schalen-Gießform 44 mit
den darin angeordneten Durchtrittsstangen 43 hinterlässt,
wie es in 7 dargestellt ist. Die verlorene
Kern- und Schalen-Modellform kann dann aus der einteiligen Gießform 44 mittels
jedes geeigneten Verfahrens, welches abhängig von den Herstellungsmaterialien
der verlorenen Modellform und der einteiligen Gießform variieren
kann, beseitigt werden. Einige zulässige Entfernungsverfahren
können Schmelzen, Ausbrennen oder Auslösen der
verlorenen Modellform aus der einteiligen Gießform 44 beinhalten.
Nach dem Entfernen der verlorenen Modellform verbleibt ein entsprechender
Hohlraum 45 in der einteiligen Gießform 44,
der der genauen Definition der Metallabschnitte entspricht, welche
die in 1 dargestellte Turbinenlaufschaufel 10 definieren.
-
Demzufolge
kann ein Replikat der authentischen Gasturbinenkomponente, welches
in einer Ausführungsform aus einem Replikat der Laufschaufel
besteht, dann in der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform
unter Verwendung herkömmlicher Modellausgießverfahren
gegossen werden. So wie hierin verwendet, bezieht sich ”Replikat” auf
eine im Wesentlichen identische Kopie der authentischen Komponente,
welche unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren hergestellt
wurde. Wie die authentische Komponente ist das Replikat für
einen Einbau und eine Nutzung in einem Gasturbinentriebwerk geeignet.
Während des Gießvorgangs kann geschmolzenes Metall
in die einteilige Gießform 44 gegossen werden,
um mittels Schwerkraft den (in 7 dargestellten)
Hohlraum 45 zu füllen, der in der einteiligen
Form 44 vorhanden ist. Die Durchtrittstangen 43 können
in ihrer Lage verbleiben, um zur korrekten Abstandshaltung und Ausrichtung
zwischen dem Gießformabschnitt 49 und dem Gießformschalenabschnitt 50 beizutragen.
Das geschmolzene Metall kann jedes geeignete Material zur Herstellung
von Gasturbinenkomponenten wie zum Beispiel, Legierungen und Superlegierungen
sein. Das geschmolzene Metall kann dann in der einteiligen Form 44 gemäß Darstellung
in 8 abgekühlt und verfestigt werden, um
ein Replikat der authentischen Gasturbinenkomponente zu erzeugen,
welches in der exemplarischen Ausfüh rungsform ein Replikat 48 der
authentischen Turbinenlaufschaufel ist.
-
Die
einteilige Gießform 44 kann dann in geeigneter
Wiese von dem Replikat 48 der authentischen Laufschaufel
durch Zerbrechen oder Auflösung des im Allgemeinen spröden
Baumaterials entfernt werden. Alternativ kann, wenn die einteilige Gießform 44 aus
Keramik aufgebaut ist, diese in geeigneter Weise von dem Replikat 48 der
Laufschaufel durch chemisches Ätzen entfernt werden. Insbesondere
können in einer Ausführungsform der Kernabschnitt 49,
der Schalenabschnitt 50 und die Durchtrittsstangen 43 gleichzeitig
entfernt werden, wobei das Replikat 48 der authentischen
Laufschaufel gemäß Darstellung in 10 zurückbleibt.
-
In
einer alternativen Ausführungsform kann der Gießformschalenabschnitt 50 zuerst
zusammen mit allen sich dadurch hindurch erstreckenden Segmenten
der Durchtrittsstangen 43 entfernt werden. Der Gießformschalenabschnitt 50 kann
durch beliebige zulässige Mittel, wie zum Beispiel mechanische Vorrichtungen
entfernt werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform
ein Hammer dazu verwendet werden, alle Schalenabschnitte 50 zusammen mit
den Segmenten der darin enthaltenen Durchtrittsstangen 43 zu
zerbrechen. Sobald der Schalenabschnitt 50 und die darin
enthaltenen Durchtrittsstangensegmente 43 von dem Replikat 48 der
authentischen Laufschaufel gemäß Darstellung in 9 entfernt
worden sind, kann der Gießformkernabschnitt 49 zusammen
mit allen restlichen Segmenten der darin enthaltenen Durchtrittstangen 43 entfernt
werden, wodurch das Replikat 48 der authentischen Laufschaufel
hinterlassen wird. Ähnlich zu dem Schalenabschnitt können
der Kernabschnitt 49 und die restlichen Durchtrittsstangen 43 durch
eine beliebige Anzahl von Methoden einschließlich Auflösung
oder chemisches Ätzen entfernt werden.
-
Das
sich ergebende Replikat 48 der Laufschaufel kann dann typischen
Nachbehandlungsverfahren unterzogen werden, wie zum Beispiel dem Bohren
von Kühllöchern durch deren Seitenwand, oder dem
Verschließen nicht benötigter Löcher,
die nach dem Entfernen der Durchtrittsstangen zurückbleiben.
Das Endergebnis ist die Herstellung eines Replikats der authentischen
Gasturbinenkomponente 46, wie zum Beispiel das in 9 dargestellte
Replikat 48 der authentischen Laufschaufel. Wie zuvor beschrieben,
kann das Replikat 48 der authentischen Laufschaufel im
Wesentlichen mit der in 1 dargestellten authentischen
Laufschaufel 10 identisch sein.
-
Die
vorstehend beschriebenen Verfahren können die Verwendung
einer Wachsmodellform sowie die entsprechenden Wachs- und Entwachsungsverfahren
reduzieren. Dieses kann sowohl Zeit als auch Kosten sparen. Zusätzlich
und wie vorstehend erwähnt, kann die einteilige Kern- und
Schalen-Gießform zum Herstellen einer beliebigen Anzahl
von Komponentenkonstruktionen, einschließlich einwandiger
und mehrwandiger Schaufelblätter verwendet werden, welche
für derzeitige Gießverfahren oft zu komplex sind.
Ferner bietet die einteilige Kern- und Schalen-Gießform
dem Hersteller eine bessere Steuerung der Wanddicke was zu der Produktion
von genauer hergestellten Komponenten führt. Ferner ermöglich
die Verwendung von Durchtrittsstangen, dass nur eine einzige Stange
mehrere Wanddicken gleichzeitig steuert. Weitere Vorteile sind für
den Fachmann auf diesem Gebiet aus der vorstehenden detaillierten
Beschreibung ersichtlich.
-
Diese
Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich
ihrer besten Ausführungsart zu offenbaren, und um auch
jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung
auszuführen und zu nutzen. Der patentierbare Schutzum fang
der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann
weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann auf diesem
Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb
des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente
besitzen, die sich nicht von der wörtlichen Beschreibung
der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente
Strukturelemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber
der wörtlichen Beschreibung der Ansprüche enthalten.
-
Es
werden Verfahren geschaffen, die das Erzeugen einer einteiligen
verlorenen Kern- und Schalen-Modellform 34 einer authentischen
Gasturbinenkomponente, das Einführen wenigstens einer Durchtrittsstange 43 durch
die einteilige verlorene Kern- und Schalen-Modellform 34,
das Gießen einer einteiligen Kern- und Schalen-Gießform 44 im
Inneren der einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform 34,
das Entfernen der einteiligen verlorenen Kern- und Schalen-Modellform 34,
um die einteilige Kern- und Schalen-Gießform 44 mit
der wenigstens einen darin angeordneten Durchtrittstange 43 zu
erhalten, das Gießen eines Replikats 46 der authentischen Gasturbinenkomponente
unter Verwendung der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform 44 und
das Entfernen der einteiligen Kern- und Schalen-Gießform 44 und
der wenigstens einen Durchtrittsstange 43 beinhalten, um
das Replikat 43 der authentischen Gasturbinenkomponente
zu erhalten, beinhalten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5484258 [0017]
- - US 5660524 [0017]
- - US 6126396 [0017]
- - US 6174133 [0017]