DE102009048665A1

DE102009048665A1 - Turbinenschaufel und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102009048665A1
Application number: DE102009048665A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Göhler; Frank Dipl.-Ing. Kernstock; Olaf Dipl.-Ing. Rehme; Martin Dipl.-Ing. Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011036068A2; EP2483019A2; US20130001837A1; WO2011036068A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u.a. auf ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (10). Um die Herstellung einer besonders leichten, aber dennoch stabilen Turbinenschaufel zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Turbinenschaufel durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt wird. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht sehr viele Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Turbinenschaufel. Beispielsweise können Hohlräume und/oder Gitterstrukturen in ein und demselben Verfahren hergestellt werden. Auch erlaubt das additive Herstellungsverfahren beispielsweise die Realisierung von Entwässerungsschlitzen, Beheizungsöffnungen und/oder sonstigen Löchern bzw. Ausnehmungen in der Turbinenschaufel bereits während der Schaufelherstellung. Löcher können darüber hinaus ganz oder teilweise mit einer Gitterstruktur versehen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 10 2006 030 365 B3 bekannt. Bei diesem vorbekannten Verfahren wird eine Turbinenschaufel durch ein Metallgussverfahren hergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel anzugeben, das die Herstellung besonders leichter, aber dennoch stabiler Turbinenschaufeln ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbinenschaufel durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dieses sehr viele Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Turbinenschaufel ermöglicht. Beispielsweise kann – im Unterschied zu dem eingangs beschriebenen Metallgussverfahren – mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in sehr einfacher Weise eine Turbinenschaufel hergestellt werden, die Hohlräume und/oder Gitterstrukturen oder dergleichen aufweist. Derart komplizierte Schaufelgestaltungen lassen sich mit einem Metallgussverfahren nicht, zumindest nicht ohne weiteres, realisieren.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass mit diesem alle Merkmale der Turbinenschaufel, zumindest alle wesentlichen Merkmale der Turbinenschaufel, mit ein und demselben Verfahren, also mit anderen Worten gleichzeitig, hergestellt werden können. Beispielsweise erlaubt das additive Herstellungsverfahren die Realisierung von Entwässerungsschlitzen, Beheizungsöffnungen und/oder sonstigen Löchern bzw. Ausnehmungen in der Turbinenschaufel bereits während der Schaufelherstellung, ohne dass hierzu weitere Werkzeuge oder weitere anschließende Verfahrensschritte nötig wären.
Additive Herstellungsverfahren sind für sich aus anderen Technikgebieten bereits bekannt. Nur beispielhaft sei diesbezüglich auf die Druckschrift "Wohlers Report 2008" (Terry T. Wohlers, Wohlers Associates Inc., Fort Collins, CO, USA, ISBN 0-9754429-4-5) verwiesen. Dieser Druckschrift lassen sich Beispiele entnehmen, wie additive Herstellungsverfahren im Einzelnen ausgeführt werden können.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich die Turbinenschaufel schichtweise herstellen. Vorzugsweise wird eine erste Pulverschicht mittels eines Energiestrahles lokal unter Bildung einer ersten Schaufelschicht geschmolzen; anschließend werden darauf, also auf diese erste Schaufelschicht, Schicht für Schicht weitere Pulverschichten aufgebracht, die jeweils unter Bildung weiterer Schaufelschichten lokal geschmolzen werden. In dieser Weise wird die Turbinenschaufel durch eine Vielzahl aufeinander gesetzter Einzelschichten gebildet.
Alternativ können anstelle von Pulverschichten auch Flüssigkeitsschichten verwendet werden, die lokal mittels eines Energiestrahles ausgehärtet werden, so dass die Turbinenschaufel in dieser Weise aus Schichten zusammengesetzt wird.
Besonders bevorzugt wird die Turbinenschaufel in einem metallischen Pulverbett mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl hergestellt. Der Laser- oder Elektronenstrahl dient dabei zum selektiven Aufschmelzen der dünnen Pulverschichten, die nach dem Abkühlen die Turbinenschaufel bilden.
Zur Ansteuerung des Energiestrahls werden vorzugsweise CAD-Daten verarbeitet, die die dreidimensionale Turbinenschaufel durch ein Volumenmodell oder ein Oberflächenmodell beschreiben. Zur Verarbeitung werden die CAD-Daten vor oder während des additiven Herstellungsprozesses vorzugsweise in Schichtdaten überführt, wobei jede Schicht einem Querschnitt der Turbinenschaufel mit finiter Schichtdicke entspricht.
Die Querschnittsgeometrie der Turbinenschaufel wird während des additiven Herstellungsverfahrens vorzugsweise durch eine linienartige Belichtung der äußeren Konturen und einer flächenartigen Belichtung der zu füllenden Querschnitte hergestellt. Die linienartige Belichtung wird im Falle einer punktförmigen Charakteristik des Energiestrahls vorzugsweise durch eine entsprechende Strahlbewegung realisiert. Eine flächenartige Belichtung kann beispielsweise durch eine Aneinanderreihung von linienartigen Belichtungsvorgängen erfolgen.
Turbinen, beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, können einer Vielzahl unterschiedlich gearteter Turbinenschaufeln aufweisen. Neben rotierenden Laufschaufeln umfassen Turbinen in vielen Fällen auch nichtrotierende bzw. statische Leitschaufeln, die ähnlich wie die Laufschaufeln geformt sind und beispielsweise die Form einer Tragfläche aufweisen können. Leitschaufeln dienen primär dazu, die Strömung des Strömungsmediums innerhalb der Turbine gezielt auszurichten. Darüber hinaus können Turbinen Kompressorschaufeln für einen Kompressorabschnitt der Turbine umfassen. Aus diesem Grunde wird es als vorteilhaft angesehen, wenn im Rahmen des additiven Herstellungsverfahrens als Turbinenschaufel eine Laufschaufel, eine Leitschaufel oder eine Kompressorschaufel für einen Kompressorabschnitt der Turbine hergestellt wird.
Um das Gewicht der Turbinenschaufel zu reduzieren, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zwischen Schaufelwänden der Turbinenschaufel zumindest ein Hohlraum gebildet wird. Um dennoch eine hohe Stabilität der Turbinenschaufel zu gewährleisten, wird ein solcher Hohlraum vorzugsweise zumindest abschnittsweise mit einer Gitterstruktur gefüllt. Eine solche Gitterstruktur ist vorzugsweise dreidimensional und kann beispielsweise filigrane, offen-zelluläre 3D-Raumgitterstrukturen umfassen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die durch einen Hohlraum getrennten Schaufelwände zumindest abschnittsweise durch Gitterstrukturen miteinander verbunden werden, um durch die Gitterstrukturen eine Abstützung der Schaufelwände untereinander zu erreichen. Beispielsweise werden die saugseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel und die druckseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel durch eine entsprechende Gitterstruktur zumindest abschnittsweise miteinander verbunden, um die Stabilität der Turbinenschaufel insgesamt zu erhöhen.
Durch das beschriebene Abstützen der Schaufelwände mit Gitterstrukturen lässt sich darüber hinaus erreichen, dass die Schaufelwände dünner, also mit geringerer Profilwandstärke, hergestellt werden können, als dies bei hohlen Turbinenschaufeln der Fall wäre.
Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn im Rahmen des additiven Herstellungsverfahrens in der Turbinenschaufel zumindest ein Entwässerungsschlitz hergestellt wird. Derartige Entwässerungsschlitze werden vorzugsweise dazu verwendet, Wasser, das aus dem durch die Turbine fließenden Dampfstrom auskondensiert ist, aus der wandnahen Strömung des Strömungsmediums abzuführen. Die durch die Kondensation entstehenden Wandtropfen können zu Erosionsschäden an den Laufschaufeln der Turbine in nachfolgenden Turbinenstufen führen. Eine solche Erosionsschädigung lässt sich jedoch reduzieren, wenn – wie vorgeschlagen – Entwässerungsschlitze vorgesehen werden, mit denen sich die Größe der Wassertropfen verkleinern lässt. Dadurch erfahren die Wassertropfen eine größere Geschwindigkeit und somit eine kleinere Relativgeschwindigkeit zur Rotationsbewegung der Laufschaufeln, wodurch die Erosionsschädigung durch die Wassertropfen reduziert wird.
Besonders bevorzugt werden die Entwässerungsschlitze nahe der Hinterkante der Turbinenschaufel angeordnet. Beispielsweise befinden sich die Entwässerungsschlitze in dem der Hinterkante nächsten Drittel der druckseitigen Schaufelwand. Auf der saugseitigen Schaufelwand befinden sich die Entwässerungsschlitze beispielsweise im vorderen Drittel nach der Eintrittskante.
Ein Anordnen von Entwässerungsschlitzen besonders nahe an der Hinterkante wird möglich, wenn eine Gitterstruktur innerhalb der Turbinenschaufel vorgesehen wird, da in einem solchen Falle eine besonders dünne Schaufelwanddicke eingesetzt werden kann.
Alternativ und/oder zusätzlich können während des additiven Herstellungsverfahrens auch weitere Merkmale der Turbinenschaufel realisiert werden: So können beispielsweise Beheizungsöffnungen zur Reduktion der Wassertropfen in der Turbine und/oder sonstige Löcher in der Schaufelwand hergestellt werden. Außerdem wird der Wärmeübergang zwischen dem Heiz- oder Kühlmedium im Inneren der Schaufel durch die Gitterstruktur und deren großer Oberfläche begünstigt.
Um zu vermeiden, dass Entwässerungsschlitze oder Beheizungsöffnungen die Stabilität der Turbinenschaufel beeinträchtigen, beispielsweise Sollbruchstellen bilden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn Entwässerungsschlitze, Beheizungsöffnungen, sonstige Löcher oder sonstige Öffnungen zumindest teilweise mit Gitterstrukturen versehen werden, durch die eine Abstützung erfolgt.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Turbinenschaufel. Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen, dass zwischen Schaufelwänden der Turbinenschaufel ein Hohlraum vorhanden ist, der zumindest abschnittsweise mit einer Gitterstruktur gefüllt ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist darin zu sehen, dass diese eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht aufweist.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel, eine Laufschaufel oder eine Kompressorschaufel.
Um eine besonders hohe Stabilität der Turbinenschaufel zu gewährleisten, sind die saugseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel und die druckseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel durch die Gitterstruktur miteinander verbunden. Durch eine solche Verbindung lässt sich ein Abstützen der Schaufelwände untereinander erreichen und somit eine besonders hohe Stabilität gewährleisten.
Falls in den Schaufelwänden Öffnungen oder Löcher vorhanden sind, sind diese vorzugsweise mit einer Gitterstruktur – zumindest teilweise – versehen.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Turbine, insbesondere Gasturbine oder Dampfturbine, die mit zumindest einer Turbinenschaufel, wie sie oben beschrieben ist, ausgestattet ist. Vorzugsweise bildet die Turbinenschaufel innerhalb der Turbine eine statische Leitschaufel, eine rotierende Laufschaufel oder eine Kompressionsschaufel.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite,
2 die Turbinenschaufel gemäß 1 im Querschnitt,
3 die druckseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß 1 in der Draufsicht,
4 die saugseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß 1 in der Draufsicht,
5 beispielhaft ein Loch in einer Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß 1 im Querschnitt, wobei das Loch vollständig mit einer Gitterstruktur gefüllt ist,
6 beispielhaft ein Loch in einer Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß 1 im Querschnitt, wobei das Loch teilweise mit einer Gitterstruktur gefüllt ist, und
7 beispielhaft ein Loch in einer Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß 1 im Querschnitt, wobei das Loch von unten mit einer Gitterstruktur abgestützt ist.
Der Übersicht halber werden in den Figuren für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 erkennt man eine Turbinenschaufel 10, die eine saugseitige Schaufelwand 20 sowie eine druckseitige Schaufelwand 30 umfasst. Die saugseitige Schaufelwand 20 und die druckseitige Schaufelwand 30 sind an einer Hinterkante 40 sowie an einer Vorderkante 50 miteinander verbunden.
In der 1 lässt sich darüber hinaus erkennen, dass der Hohlraum 55 zwischen den beiden Schaufelwänden 20 und 30 mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur versehen ist, die mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet ist.
Die in der 1 dargestellte Turbinenschaufel 10 wird im Rahmen eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt, bei dem die saugseitige Schaufelwand 20, die druckseitige Schaufelwand 30 sowie die Gitterstruktur 60 aus demselben Material gleichzeitig hergestellt werden.
In 2 ist die Turbinenschaufel 10 gemäß 1 im Querschnitt dargestellt. Man erkennt die Schaufelwände 20 und 30, die Hinterkante 40, die Vorderkante 50 sowie die Gitterstruktur 60.
In der 3 ist die druckseitige Schaufelwand 30 der Turbinenschaufel 10 gemäß den 1 und 2 in der Draufsicht näher im Detail dargestellt. Man erkennt, dass die Schaufelwand 30 zwei schlitzförmige Löcher 100 und 110 aufweist. Die schlitzförmigen Löcher können als Entwässerungsschlitze und/oder Heizungsöffnungen dienen, mit denen Wasser aus der wandnahen Strömung des die Turbine durchströmenden Strömungsmediums abgeführt wird.
Wie sich in der 3 gut erkennen lässt, ist die Anordnung der schlitzförmigen Löcher 100 und 110 derart gewählt, dass sich diese möglichst dicht an der Hinterkante 40, also der Vorderkante 50 möglichst abgewandt, befinden. Besonders bevorzugt sind die schlitzförmigen Löcher 100 und 110 innerhalb der der Hinterkante 40 zugewandten Hälfte A der druckseitigen Schaufelwand 30 angeordnet.
Die 4 zeigt beispielhaft die saugseitige Schaufelwand 20 der Turbinenschaufel 10. Man erkennt, dass im Bereich der Vorderkante 50 ein schlitzförmiges Loch 120 angeordnet ist, das sich durch die Schaufelwand 20 hindurch erstreckt. Besonders bevorzugt ist das schlitzförmige Loch 120 innerhalb der der Vorderkante 50 zugewandten Hälfte B der saugseitigen Schaufelwand 20 angeordnet. Die innerhalb der Turbinenschaufel 10 angeordnete Gitterstruktur 60 kann außerhalb des schlitzförmigen Lochs 120 angeordnet sein oder sich alternativ in das schlitzförmige Loch 120 hinein erstrecken.
In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem sich die Gitterstruktur 60 vollständig in ein Loch 200 der Schaufelwand 210 der Turbinenschaufel 10 hineinerstreckt. Das Loch 200 wird somit durch die Gitterstruktur 60 überbrückt und durch diese abgestützt.
In der 6 ist beispielhaft eine Ausführungsform gezeigt, bei der sich die Gitterstruktur 60 nur teilweise in das Loch 200 hineinerstreckt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird circa die Hälfte der Wandstärke d von der Gitterstruktur 60 erfasst; die andere Hälfte der Wandstärke bleibt von der Gitterstruktur 60 frei.
In der 7 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Loch 200 gezeigt, das überhaupt nicht mit einer Gitterstruktur 60 versehen ist. Die Gitterstruktur 60 erstreckt sich nur bis an den unteren Rand 220 des Lochs 200 heran bzw. grenzt an das Loch 200 an, ohne dabei in das Loch selbst hineinzuragen. Die Gitterstruktur 60 befindet sich also nur innerhalb der Turbinenschaufel und nicht im Bereich des Lochs 200.
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

DE 102006030365 B3 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Wohlers Report 2008” (Terry T. Wohlers, Wohlers Associates Inc., Fort Collins, CO, USA, ISBN 0-9754429-4-5) [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel schichtweise hergestellt wird, – indem eine erste Pulverschicht mittels eines Energiestrahles lokal unter Bildung einer ersten Schaufelschicht geschmolzen wird und – indem darauf Schicht für Schicht weitere Pulverschichten aufgebracht und jeweils lokal geschmolzen und anschließend unter Bildung weiterer Schaufelschichten abgekühlt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel durch selektives Laserschmelzen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbinenschaufel eine Laufschaufel, eine statische Leitschaufel oder eine Kompressorschaufel für einen Kompressorabschnitt einer Turbine hergestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer druckseitigen Schaufelwand (30) und einer saugseitigen Schaufelwand (20) ein Hohlraum (55) gebildet wird, der zumindest abschnittsweise mit einer Gitterstruktur (60) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur topologisch optimiert ist und beispielsweise eine lokal unterschiedliche Strukturierung und/oder lokal unterschiedliche Stabdurchmesser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die saugseitige Schaufelwand und die druckseitige Schaufelwand durch die Gitterstruktur miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Turbinenschaufel durch das additive Herstellungsverfahren zumindest ein Loch (200), beispielsweise in Form eines Entwässerungsschlitzes oder einer Beheizungsöffnung, in mindestens einer Schaufelwand hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch zumindest teilweise mit einer Gitterstruktur versehen wird.
Turbinenschaufel (10), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaufelwänden der Turbinenschaufel ein Hohlraum (55) vorhanden ist, der zumindest abschnittsweise mit einer Gitterstruktur (60) gefüllt ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbinenschaufel eine Laufschaufel, eine statische Leitschaufel oder eine Kompressorschaufel ist und – die saugseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel und die druckseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel durch die Gitterstruktur miteinander verbunden sind.
Turbine, insbesondere Gasturbine oder Dampfturbine, mit zumindest einer Turbinenschaufel nach einem der voranstehenden Ansprüche 10 oder 11.
Turbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel eine Laufschaufel, eine statische Leitschaufel oder eine Kompressorschaufel der Turbine bildet.