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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gießkerns für eine Gasturbinenschaufel.
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Gasturbinenschaufeln weisen im Inneren Kühlluftpassagen auf, welche sich vom Schaufelfuß aus erstrecken und zur Kühlung der Gasturbinenschaufeln dienen. Die Geometrie dieser Kühlluftpassagen ist sehr komplex und im Wesentlichen so gewählt, dass eine gleichmäßige Kühlung erfolgen kann.
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Die Gasturbinenschaufeln werden mittels eines Gießverfahrens hergestellt, wobei die Kühlluftpassagen durch einen Gießkern erzeugt werden. Dieser besteht üblicherweise aus einem keramischen Material, welches nach dem Gießvorgang entfernt wird.
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Dieses keramische Material des Gießkerns ist mechanisch wenig beanspruchbar und leicht zerbrechlich. Im Hinblick auf die komplexe Struktur des Gießkerns und die mehrfachen, teils mäandernden Stege des Gießkerns zur Ausbildung entsprechender Luftpassagen sind derartige Gießkerne nur mit hohem Aufwand handhabbar. Um ein Zerbrechen der einzelnen stegartigen Bereiche des Gießkerns zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, benachbarte stegartige Bereiche mittels Brücken zu verbinden. Die 7 und 8 zeigen diese Thematik im Einzelnen. In 7 ist ein Gießkern 3 dargestellt, welcher im Wesentlichen zweidimensional oder auch dreidimensional, um sich der gewölbten Struktur des Schaufelprofils anzupassen, ausgebildet ist und mehrere mäandernde stegartige Bereiche 6 umfasst, die durch Brücken 10 miteinander verbunden sind. Diese Brücken 10 sind für die Ausbildung von Kühlluftpassagen 9 (siehe 8) nicht erforderlich, sondern dienen lediglich der Stabilisierung des Gießkerns 3.
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Die 8 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Turbinenschaufel 11 gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind insbesondere die Kühlluftpassagen 9 erkennbar, welche durch den in 7 gezeigten Kern hergestellt sind. Die 9 zeigt nochmals verdeutlichend eine Teilansicht der stegartigen Bereiche 6 und einer Brücke 10, welche aus demselben Material wie der Gießkern 3 gefertigt ist. Die 10 zeigt zum Stand der Technik ein Unterteil 1 einer Kernform (siehe auch 3) zur Herstellung des Gießkerns 3. Dabei sind die einzelnen Brückenausnehmungen 12 gezeigt, durch welche die Brücken 10 des Gießkerns 3 gebildet werden, wenn Stegausnehmungen 13 mit der keramischen Kernmasse gefüllt werden.
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Die Brücken 10, welche die stegartigen Bereiche 6 des Gießkerns 3 verbinden, müssen während des gesamten Gießvorgangs verbleiben, da auch während des Gießvorgangs die Gefahr besteht, dass der Gießkern 3 beschädigt wird, z. B. durch Verschieben der Gießkernstege oder Bruch derselben.
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Bei dem nachfolgenden Gießverfahren wird der Gießkern 3 in eine Wachsmasse eingebettet, bevor die Wachsmasse zusammen mit dem Gießkern in eine Gießform eingebracht wird. Nach Entfernen des Wachses (Wachsmodell der Turbinenschaufel) erfolgt der eigentliche Gießvorgang. Diese Vorgänge entsprechen dem Stand der Technik und brauchen an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
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Die sehr bruchgefährdeten stegartigen Bereiche des Gießkerns werden, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, üblicherweise an mechanisch hoch belasteten Bereichen der Turbinenschaufel angeordnet. Wenn nach dem Gießen die keramische Kernsubstanz mittels eines Säurebades entfernt wird, verbleiben die Brücken in der gegossenen Struktur der Turbinenschaufel. Folglich ist dort die Wanddicke reduziert. Belastungsanalysen zeigen, dass sich dort Spannungsspitzen ergeben können, welche die Lebensdauer und die Festigkeit der Turbinenschaufel beeinträchtigen. Diese Spannungsspitzen entstehen insbesondere durch eine Schwächung der Wandstärke sowie durch eine Unterbrechung der Lastaufnahme und Lastverteilung in der Turbinenschaufel. Auch bei einer Optimierung der Geometrie dieser Brücken, welche die stegartigen Bereiche verbinden, verbleibt eine Anfälligkeit für dreidimensionale Veränderungen, welche während des gesamten Lebenszyklus der Turbinenschaufel auftreten. Hierdurch wird die Gesamtlebensdauer reduziert.
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Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass beim Einströmen des keramischen Kernmaterials in die Kernform diese abrasiv beeinträchtigt wird, besonders, wenn kleine Radien oder geringe Durchmesser vorhanden sind. Dies wiederum führt zu einem erhöhten Verschleiß der Kernform, so dass diese häufig ausgetauscht oder nachgearbeitet werden muss. Hierdurch steigen die gesamten Produktionskosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gießkernherstellung einer Gasturbinenschaufel sowie einen Gießkern und eine Gießkernverbindungsstrebe zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Anwendbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und die Qualität einer Turbinenschaufel erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die einzelnen stegartigen Bereiche des Gießkerns durch vorgefertigte Verbindungsstreben, z. B. aus Metall oder Keramik, verbunden sind, welche fest in dem Gießkern verankert und beim anschließenden Gießvorgang in das Material der Turbinenschaufel eingebettet werden. Somit weisen die einzelnen Kühlluftpassagen der Gasturbinenschaufel keine Brückenausnehmungen der ursprünglich beim Gießkern vorhandenen Brücken auf. Hierdurch wird zum einen eine Strömungsoptimierung erreicht, zum anderen werden die oben beschriebenen Festigkeitsprobleme überwunden.
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Erfindungsgemäß sind somit die stegartigen Bereiche fest mittels der vorgefertigten Verbindungsstreben verbunden, so dass sowohl der Transport des Gießkerns als auch seine weitere Handhabung während des Gießvorgangs ohne Bruchgefahr erfolgen kann.
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Da die Verbindungsstreben erfindungsgemäß in das metallische Material der Turbinenschaufel eingebettet sind, ergeben sich, im Vergleich zum Stand der Technik, keine Kurzschlüsse oder unerwünschte Strömungsverbindungen, so dass die Kühlleistung der Turbinenschaufel wesentlich erhöht und genauer prognostiziert werden kann.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Gießkernverbindungsstrebe und deren Ausgestaltung ist es möglich, diese während der Kernherstellung in der Kernform fest anzuordnen, insbesondere mittels eines Haltebereichs der Verbindungsstrebe, welcher in der Kernform so verankert ist, dass die Verbindungsstrebe nicht verrutscht oder versetzt wird, wenn die keramische Kernmasse eingefüllt wird. Es ergeben sich somit erhebliche fertigungstechnische Vorteile, z. B. bessere Toleranzeinhaltung, nicht mehr kritisches Bauteil der Gusskern-Gießform und/oder einfachere Nachbearbeitung der Gießkerne nach dem Härten.
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Durch die vorgefertigten Verbindungsstreben ist es möglich, diese strömungsgünstig zu gestalten und hinsichtlich ihres Durchmessers und ihrer Dimensionierung so auszubilden, dass die Luftströmung durch die Kühlluftpassagen nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
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Die Verbindungsstreben sind bevorzugterweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.
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Da die erfindungsgemäßen Verbindungsstreben in die Kernform eingelegt werden, ergibt sich kein Verschleiß im Bereich der Verbindungsstreben, so dass die Lebensdauer der Kernform erheblich gesteigert werden kann. Kostenintensive Reparaturmaßnahmen können somit entfallen.
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Weiterhin ist es möglich, die Spannungsverteilung im Bereich der Verbindungsstreben, sowohl im Gießkern als auch in der fertigen Turbinenschaufel, exakt zu bestimmen und zu berechnen, so dass insgesamt eine Optimierung möglich ist.
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Durch die metallische Ausgestaltung der Verbindungsstreben ist es, wie erwähnt, möglich, deren Durchmesser zu verringern. Hierdurch ergeben sich beim Einspritzen des keramischen Kernmaterials in die Gießkernform zum einen bessere Strömungsverhältnisse und zum anderen ein geringerer Verschleiß der Kernform.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass die Verbindungsstreben während der Wachs-Injektion an ihrem Ort verbleiben und somit die Festigkeit des Kerns nicht beeinträchtigen. Bei dem nachfolgenden eigentlichen Gießvorgang werden die metallischen Verbindungsstreben jedoch in die Metallschmelze eingebunden und von dieser aufgelöst, so dass sich insgesamt keine Gefüge-Störung der Gasturbinenschaufel ergibt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gießkerns,
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2 eine schematische Längsschnittansicht einer unter Verwendung des Gießkerns hergestellten Turbinenschaufel,
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3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kernform,
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4 eine vergrößerte Detailansicht der in 3 gezeigten Kernform,
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5 eine schematisierte Teilansicht eines erfindungsgemäßen Gießkerns, analog 1,
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6 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verbindungsstrebe,
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7 und 8 Darstellungen des Stands der Technik analog den 1 und 2,
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9 eine analoge Darstellung des Standes der Technik zu 5, und
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10 eine Teilansicht, analog 4, eines Kernform-Unterteils gemäß dem Stand der Technik.
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Wie sich aus 1 ergibt, werden einzelne stegartige Bereiche 6 einer Gießform 3 an besonders bruchgefährdeten Stellen mittels metallischer Verbindungsstreben 4 gegeneinander abgestützt, so dass während der Handhabung des Gießkerns 3, während der Herstellung des Gießkerns 3 sowie während der Wachs-Injektion ein Bruch des Gießkerns 3 verhindert wird.
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Die metallischen Verbindungsstreben 4 werden nachfolgend in das metallische Material einer Turbinenschaufel 11 eingebettet, so wie dies in 2 dargestellt ist. Die 2 zeigt eine vereinfachte Längsschnittansicht einer Turbinenschaufel 11, wobei ersichtlich ist, dass Kühlluftpassagen 9 erzeugt wurden, welche nicht durch Verbindungskanäle 14 ”kurzgeschlossen” sind, so wie dies im Stand der Technik (siehe 8) der Fall ist. Vielmehr stehen lediglich freie Enden 5 (siehe 6) der Verbindungsstreben 4 in die Kühlluftpassagen 9. Die 3 und 4 zeigen ein Kernform-Unterteil 1 sowie ein zugehöriges Kernform-Oberteil 2. Diese sind mit Stegausnehmungen 13 versehen. Durch die Stegausnehmungen 13 werden die stegartigen Bereiche 6 des Gießkerns 3 erzeugt (siehe 1). Die Kernform weist somit erhabene Bereiche 15 auf, welche die Stegausnehmungen 13 begrenzen. In den erhabenen Bereichen 15 sind geeignete Ausnehmungen ausgebildet, um die erfindungsgemäßen Verbindungsstreben 4 einlegen zu können.
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Die 5 zeigt somit einen vergrößerten Bereich eines Gießkerns 3 mit stegartigen Bereichen 6, wobei die freien Enden 5 der Verbindungsstreben 4 in die keramische Masse der stegartigen Bereiche 6 des Gießkerns 3 eingebettet sind.
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Die 6 zeigt eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Verbindungsstrebe 4. Diese umfasst einen zylindrischen Grundkörper 7, in dessen mittlerem Bereich ein verdickter, zylindrischer Haltebereich 8 angeordnet ist. Dieser liegt in einer (nicht dargestellten), passenden Ausnehmung des jeweiligen erhabenen Bereichs 15 der Kernform 1, 2, analog der Darstellung der 4. Somit wird während des Einspritzens der keramischen Kernmasse die Verbindungsstrebe 4 gehalten.
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Die freien Enden 5 der Verbindungsstrebe 4 sind gemäß 6 konisch ausgebildet, um eine sichere Verankerung in der Kernmasse zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kernform-Unterteil
- 2
- Kernform-Oberteil
- 3
- Gießkern
- 4
- Verbindungsstrebe
- 5
- freies Ende der Verbindungsstrebe
- 6
- stegartiger Bereich
- 7
- zylindrischer Körper
- 8
- Haltebereich
- 9
- Kühlluftpassage
- 10
- Brücke
- 11
- Turbinenschaufel
- 12
- Brückenausnehmung
- 13
- Stegausnehmung
- 14
- Verbindungskanal
- 15
- erhabener Bereich
