DE102013109549A1

DE102013109549A1 - System und Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts

Info

Publication number: DE102013109549A1
Application number: DE102013109549.6A
Authority: DE
Inventors: Zhaoli Hu; Douglas Anthony Serieno; Peter Stevens; Benjamin Erick Baker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-04-17
Also published as: CN103658991A; JP2014058971A; CH706954A2; US20140075755A1

Abstract

Ein System zur Herstellung eines Schaufelblatts weist eine Außenfläche des Schaufelblatts, einen Hohlraum im Inneren des Schaufelblatts und einen außerhalb des Schaufelblatts angeordneten Kollimator auf. Das System weist außerdem eine Fluidsäule auf, die von dem Kollimator in Richtung der Außenfläche des Schaufelblatts strömt, und ein Laserstrahl im Inneren der Fluidsäule erzeugt einen begrenzten Laserstrahl, der auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet ist. Ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts beinhaltet die Schritte: Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen, Richten des begrenzten Laserstrahls auf eine Außenfläche des Schaufelblatts, und Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts mittels des begrenzten Laserstrahls.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Turbinen werden häufig in industriellen und kommerziellen Anwendungen genutzt. Eine typische im Handel erhältliche Dampf- oder Gasturbine, die zur Erzeugung elektrischen Stroms genutzt wird, enthält abwechselnde Stufen stationärer und rotierender Schaufelblätter. Beispielsweise können die stationären Leitschaufeln an einem stationären Bauteil, beispielsweise an einem Gehäuse, befestigt sein, das die Turbine umgibt, und die rotierenden Laufschaufeln können an einem Laufrad angebracht sein. Ein verdichtetes Arbeitsfluid, z. B., jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Dampf, Verbrennungsgase oder Luft, strömt durch die Turbine, und die stationären Leitschaufeln beschleunigen das verdichtete Arbeitsfluid und lenken es auf die nachfolgende Stufe rotierender Laufschaufeln, um die rotierenden Laufschaufeln in Bewegung zu versetzen, so dass das Laufrad gedreht und Arbeit verrichtet wird.
Der Wirkungsgrad der Turbine steigt allgemein mit höheren Temperaturen des verdichteten Arbeitsfluids. Allerdings können übermäßige Temperaturen in der Turbine die Lebensdauer der Schaufelblätter in der Turbine Verkürzen und dadurch Reparaturen, Wartungen und Ausfallzeiten in Zusammenhang mit der Turbine vermehren. Infolgedessen wurden vielfältige Konstruktionen und Verfahren entwickelt, um den Schaufelblättern Kühlung bereit zu stellen. Beispielsweise kann einem Hohlraum im Inneren des Schaufelblatts ein Kühlmedium zugeführt werden, um konvektiv und/oder konduktiv Wärme von dem Schaufelblatt abzuführen. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das Kühlmedium durch Kühlkanäle in dem Schaufelblatt aus dem Hohlraum strömen, um über der Außenfläche des Schaufelblatts Filmkühlung zu erzeugen.
Da die Temperaturen und/oder Leistungsstandards weiter steigen, werden die für das Schaufelblatt eingesetzten Materialien immer dünner, was eine zuverlässige Herstellung des Schaufelblatts zunehmend erschwert. Beispielsweise kann das Schaufelblatt aus einem hochlegierten Metall gegossen sein, und an der Außenfläche des Schaufelblatts kann eine Wärmedämmschicht angebracht sein, um den thermischen Schutz zu verbessern. Eine Wasserstrahl- oder Elektronenerosionsmaschine (Maschine für elektroerosive Bearbeitung (EEB)) kann genutzt werden, um Kühlkanäle durch die Wärmedämmschicht und durch die Außenfläche hindurch auszubilden, allerdings kann der Wasserstrahl oder die EEB verursachen, dass Bereiche der Wärmebarrierenbeschichtung abplatzen. In einer Abwandlung kann die Wärmedämmschicht an der Außenfläche des Schaufelblatts angebracht werden, nachdem die Kühlkanäle durch die Wasserstrahlbearbeitung oder durch die EEB erzeugt sind, jedoch erfordert dies zusätzliche Bearbeitung, um jede Wärmedämmschicht, die die soeben ausgebildeten Kühlkanäle bedeckt, zu entfernen.
Es kann auch ein fokussierter Laserstrahl verwendet werden, um die Kühlkanäle durch das Schaufelblatt hindurch auszubilden, wobei die Gefahr eines Abplatzens der Wärmedämmschicht verringert ist. Der fokussierte Laserstrahl erfordert allerdings ein genaues Positionieren, so dass ein Brennpunkt des Laserstrahls mit der Außenfläche des Schaufelblatts zusammentrifft, und die normalen Krümmungs- und Herstellungstoleranzen in Zusammenhang mit der Außenfläche des Schaufelblatts erschweren es, eine genaue Positionierung des Brennpunkts bezüglich der Außenfläche zu erzielen. Infolgedessen durchdringt der fokussierte Laserstrahl die Außenfläche möglicherweise nicht vollständig, mit dem Ergebnis eines schadhaften Schaufelblatts, das überholt oder ersetzt werden muss. Darüber hinaus sind verwirklichbare Längen- und Seitenverhältnisse herkömmlicher fokussierter Laserstrahlen beschränkt. Insbesondere beträgt das Verhältnis der Tiefe zur Breite für Kühlkanäle, die durch herkömmlich fokussierte Laserstrahlen erzeugt sind, gewöhnlich weniger als drei (d. h. die Tiefe des Kühlkanals muss mindestens das Dreifache der Breite des Kühlkanals betragen). Längen- und Seitenverhältnisse von weniger als drei können übermäßig breite Kühlkanäle durch dickere Bereiche des Schaufelblatts hindurch erfordern. Folglich wäre ein verbessertes System und Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts von Vorteil, das auf eine genaue Positionierung des Schaufelblatts verzichten kann und/oder größere Längen- und Seitenverhältnisse für Kühlkanäle erlaubt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung unterbreitet, oder können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben, oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt ein System zur Herstellung eines Schaufelblatts. Das System weist eine Außenfläche des Schaufelblatts, einen Hohlraum im Inneren des Schaufelblatts und einen Kollimator außerhalb des Schaufelblatts auf. Das System weist außerdem eine Fluidsäule auf, die von dem Kollimator in Richtung der Außenfläche des Schaufelblatts strömt, und ein Laserstrahl im Inneren der Fluidsäule bringt einen begrenzten Laserstrahl hervor, der auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet ist.
Dementsprechend kann das System zur Herstellung eines Schaufelblatts aufweisen:
eine Außenfläche des Schaufelblatts;
einen Hohlraum im Inneren des Schaufelblatts;
einen Kollimator außerhalb des Schaufelblatts;
eine Fluidsäule, die von dem Kollimator in Richtung der Außenfläche des Schaufelblatts strömt; und
einen Laserstrahl im Inneren der Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen, der auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet ist.
Das System kann ferner einen Sensor aufweisen, der mit dem Schaufelblatt geeignet verbunden und dazu eingerichtet ist, ein Signal zu erzeugen, nachdem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts durchdringt.
Der Sensor jedes der oben erwähnten Systeme kann wenigstens eine Photodiode und/oder einen Fluidsensor aufweisen.
Jedes der oben erwähnten Systeme kann ferner eine Steuereinrichtung enthalten, die mit dem Sensor Daten austauscht, so dass die Steuereinrichtung das Signal aufnimmt, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein kann, eine Logik auszuführen, die in einem Arbeitsspeicher gespeichert ist und den Laserstrahl deaktiviert, wenn eine vorbestimmte Bedingung vorliegt.
In jedem der oben erwähnten Systeme kann die vorbestimmte Bedingung eine Zeit beinhalten, die der begrenzte Laserstrahl braucht, um die Außenfläche des Schaufelblatts zu durchdringen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts, mit den Schritten: Ausbilden einer Außenfläche des Schaufelblatts, Ausbilden eines Hohlraums im Inneren des Schaufelblatts, und Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte: Richten des begrenzten Laserstrahls auf die Außenfläche des Schaufelblatts, und Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts mittels des begrenzten Laserstrahls.
Dementsprechend kann das Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts die folgenden Schritte aufweisen:
Ausbilden einer Außenfläche des Schaufelblatts;
Ausbilden eines Hohlraums im Inneren des Schaufelblatts;
Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen;
Richten des begrenzten Laserstrahls auf die Außenfläche des Schaufelblatts; und
Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts mittels des begrenzten Laserstrahls.
Der Schritt des Ausbildens des Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts kann ein Ausbilden des Durchlasskanals mit einer Tiefe beinhalten, die wenigstens dreimal so groß ist wie die Breite.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner den Schritt beinhalten, eine Wärmedämmschicht an der Außenfläche des Schaufelblatts anzubringen, bevor der begrenzte Laserstrahl auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet wird.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zudem den Schritt aufweisen, den Zeitpunkt zu erfassen, in dem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts vollständig durchdrungen hat.
In jedem der oben erwähnten Verfahren kann der Schritt des Erfassens beinhalten, wenigstens Licht und/oder Fluid im Inneren des Hohlraums zu erfassen.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann außerdem die Schritte aufweisen: Messen eines Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt des Richtens des begrenzten Laserstrahls auf die Außenfläche des Schaufelblatts und dem Zeitpunkt, in dem erfasst wird, dass der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts vollständig durchdrungen hat.
Weiter kann jedes der oben erwähnten Verfahren den Schritt beinhalten, die Außenfläche des Schaufelblatts relativ zu dem Laserstrahl zu bewegen, falls das Zeitintervall einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zudem den Schritt beinhalten, den Laserstrahl zu deaktivieren, falls das Zeitintervall einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts die Schritte: Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen, Richten des begrenzten Laserstrahls auf eine Außenfläche des Schaufelblatts, und Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts mittels des begrenzten Laserstrahls.
Dementsprechend kann das Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts folgende Schritte beinhalten:
Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen;
Richten des begrenzten Laserstrahls auf eine Außenfläche des Schaufelblatts; und
Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts mittels des begrenzten Laserstrahls.
Der Schritt des Erzeugens des Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts kann ein Ausbilden des Durchlasskanals mit einer Tiefe beinhalten, die wenigstens dreimal so groß ist wie die Breite.
Das Verfahren kann zudem den Schritt beinhalten, eine Wärmedämmschicht an der Außenfläche des Schaufelblatts anzubringen, bevor der begrenzte Laserstrahl auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet wird.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zusätzlich beinhalten, den Zeitpunkt zu erfassen, in dem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts vollständig durchdrungen hat.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann weiter die Schritte aufweisen: Messen eines Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt des Richtens des begrenzten Laserstrahls auf die Außenfläche des Schaufelblatts und dem Zeitpunkt, in dem erfasst wird, dass der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts vollständig durchdrungen hat.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann außerdem den Schritt aufweisen, die Außenfläche des Schaufelblatts relativ zu dem Laserstrahl zu bewegen, falls das Zeitintervall einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner beinhalten, den Laserstrahl zu deaktivieren, falls das Zeitintervall einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Dem Fachmann werden die Merkmale und Aspekte solcher und weiterer Ausführungsbeispiele nach dem Lesen der Beschreibung verständlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die den für den Fachmann besten Modus der Erfindung beinhaltet, ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher beschrieben:
1 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein exemplarisches Schaufelblatt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Kern, der genutzt werden kann, um das in 1 dargestellte Schaufelblatt zu gießen;
3 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht ein System zur Herstellung des in 1 dargestellten Schaufelblatts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des in 1 dargestellten Schaufelblatts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen, wobei ein oder mehrere der Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet alphanumerische Bezeichnungen, um auf Merkmale in den Figuren Bezug zu nehmen. In den Figuren und in der Beschreibung wurden übereinstimmende oder ähnliche Bezeichnungen verwendet, um auf übereinstimmende oder ähnliche Elemente der Erfindung Bezug zu nehmen. In dem hier verwendeten Sinne können die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und ”dritter” untereinander austauschbar verwendet werden, um eine Komponente von einer anderen zu unterscheiden, und sollen nicht den Ort oder die Bedeutung der einzelnen Komponenten bezeichnen. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe ”stromaufwärts” und ”stromabwärts” auf die relative Anordnung der Bauteile in einem Strömungspfad. Beispielsweise befindet sich ein Bauteil A stromaufwärts eines Bauteils B, falls ein Fluid von Bauteil A zu Bauteil B strömt. Im Gegensatz dazu ist ein Bauteil B stromabwärts von Bauteil A angeordnet, falls das Bauteil B einen Fluidstrom von Bauteil A her aufnimmt.
Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang oder Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, auf ein anderes Ausführungsbeispiel angewendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beinhalten ein System und ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts. Das System weist allgemein einen Laserstrahl auf, der durch eine Fluidsäule begrenzt ist, und der begrenzte Laserstrahl kann genutzt werden, um unter speziellen Winkeln genaue Löcher durch eine Außenfläche des Schaufelblatts hindurch auszubilden. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das System außerdem einen Sensor enthalten, der mit dem Schaufelblatt geeignet verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein Signal zu erzeugen, nachdem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts durchdringt. Eine Steuereinrichtung, die mit dem Sensor Daten austauscht, kann das Signal aufnehmen und eine in einem Arbeitsspeicher gespeicherte Logik ausführen, die einen Bedarf anzeigt, die Außenfläche relativ zu dem Laserstrahl zu bewegen, und/oder den Laserstrahl deaktiviert, wenn eine vorbestimmte Bedingung vorliegt. Die vorbestimmte Bedingung kann beispielsweise eine Zeitdauer beinhalten, die der Laserstrahl benötigt, um die Außenfläche des Schaufelblatts in Richtung eines Hohlraums im Inneren des Schaufelblatts zu durchdringen. Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung allgemein in Zusammenhang mit einem Schaufelblatt beschrieben sind, das in einer Turbine verwendet wird, wird dem Fachmann anhand der hier unterbreiteten Lehre ohne weiteres einleuchten, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Turbine beschränkt sind, es sei denn, dies ist in den Ansprüchen speziell erwähnt.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind, zeigt 1 eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Schaufelblatts 10, wie es z. B. in einer Turbine oder in einer anderen aeromechanischen Vorrichtung verwendet wird. Wie in 1 dargestellt, weist das Schaufelblatt 10 allgemein eine Außenfläche 12 mit einer Druckseite 14 und einer Saugseite 16 auf. Die Druckseite 14 weist eine konkave Krümmung auf, und die Saugseite 16 weist eine konvexe Krümmung auf, die der Druckseite 14 gegenüber liegend angeordnet ist. Die Druckseite und die Saugseite 14, 16 sind voneinander getrennt, um einen Hohlraum 18 im Inneren des Schaufelblatts 10 zu bilden. Der Hohlraum 18 kann eine Serpentine oder einen gewundenen Pfad für ein Kühlmedium bereitstellen, das im Inneren des Schaufelblatts 10 strömt, um konduktiv und/oder konvektiv Wärme von dem Schaufelblatt 10 abzuführen. Darüber hinaus sind zudem die Druckseite und die Saugseite 14, 16 vereinigt, um an einem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Schaufelblatts 10 eine Anströmkante 20 und stromabwärts des Hohlraums 18 an einen stromabwärts gelegenen Abschnitt des Schaufelblatts 10 eine Abströmkante 22 zu bilden. Mehrere Kühlkanäle 24 in der Druckseite 14, Saugseite 16, Anströmkante 20 und/oder Abströmkante 22 können eine strömungsmäßige Verbindung von dem Hohlraum 18 durch das Schaufelblatt 10 bereitstellen, um das Kühlmedium über der Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 zuzuführen. Wie in 1 dargestellt, können die Kühlkanäle 24 beispielsweise an der Anströmkante und Abströmkante 20, 22 und/oder entlang der Druckseite und/oder entlang der Saugseite 14, 16 angeordnet sein. Einem Fachmann wird anhand der hier unterbreiteten Lehre ohne weiteres einleuchten, dass die Anzahl und/oder der Ort der Kühlkanäle 24 in Abhängigkeit von speziellen Ausführungsbeispielen variieren kann, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Anzahl oder Position von Kühlkanälen 24 beschränkt ist, es sei denn, dies ist in den Ansprüchen speziell erwähnt.
Das in 1 dargestellte exemplarische Schaufelblatt 10 kann mittels eines beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens hergestellt werden. Beispielsweise kann das Schaufelblatt 10 mittels aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannter Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Schmieden, spanabhebende Bearbeitung, Schweißen, Extrudieren und/oder Gießen. 2 zeigt eine Draufsicht eines Kerns 30, der genutzt werden kann, um das in 1 dargestellte Schaufelblatt 10 durch Wachsausschmelzgießen herzustellen. Wie in 2 dargestellt, kann der Kern 30 einen Serpentinenabschnitt 32 mit einer Anzahl langer, dünner Zweige oder Vorsprünge 34 aufweisen, die sich ausgehend von dem Serpentinenabschnitt 32 erstrecken. Der Serpentinenabschnitt 32 entspricht im Wesentlichen der Größe und dem Ort für den Hohlraum 18 in dem Schaufelblatt 10, und die Vorsprünge 34 entsprechen allgemein der Größe und dem Ort der durch die Abströmkante 22 des Schaufelblatts 10 ausgebildeten größeren Kühlkanäle 24. Der Kern 30 kann aus jedem Material hergestellt sein, das ausreichende Festigkeit aufweist, um den hohen Temperaturen in Zusammenhang mit dem Gießmaterial (z. B. einem hochlegierten Metall) zu widerstehen, während eine eng anliegende Positionierung aufrecht erhalten wird, die für den Kern 30 während des Gießens erforderlich ist. Beispielsweise kann der Kern 30 anhand von Keramikmaterial, keramischem Verbundmaterial, oder sonstigen geeigneten Materialien gegossen sein. Nach dem Gießverfahren oder einem sonstigen Herstellungsverfahren kann ein Laser, eine Elektronenerosionsmaschine, ein Bohrer, ein Wasserstrahl oder eine sonstige geeignete Vorrichtung genutzt werden, um den in 2 gezeigten Serpentinenabschnitt 32 und/oder die Vorsprünge 34 zu verfeinern oder auszugestalten.
Der Kern 30 kann anschließend, wie aus dem Stand der Technik bekannt, in einem Wachsausschmelzverfahren oder in einem anderen Gießverfahren genutzt werden. Beispielsweise kann der Kern 30 mit einem Wachs oder einem sonstigen geeigneten Material beschichtet werden, das sich hinsichtlich der für das Schaufelblatt 10 gewünschten Dicke und Krümmung ohne weiteres formen lässt. Der mit Wachs bedeckte Kern 30 kann anschließend wiederholt in eine flüssige keramische Lösung getaucht werden, um über der Wachsoberfläche eine Keramikschale zu erzeugen. Das Wachs kann anschließend erwärmt werden, um das Wachs aus dem Raum zwischen dem Kern 30 und der Keramikschale zu entfernen, so dass zwischen dem Kern 30 und der Keramikschale ein Hohlraum entsteht, der als Gießform für das Schaufelblatt 10 dient.
Eine hochlegierte Metallschmelze kann anschließend in die Gießform gegossen werden, um das Schaufelblatt 10 auszubilden. Das hochlegierte Metall kann beispielsweise Nickel, Kobalt und/oder Eisensuperlegierungen beinhalten, beispielsweise GTD-111, GED-222, Rene 80, Rene 41, Rene 125, Rene 77, Rene N5, Rene N6, PWA 1484, PWA 1480, Einkristallsuperlegierungen der 4. Generation, MX-4, Hastelloy X, kobalt-basiertes HS-188 und ähnliche Legierungen. Nachdem das hochlegierte Metall abgekühlt und verfestigt ist, kann die Keramikschale gebrochen und entfernt werden, wobei das hochlegierte Metall freigelegt wird, das die Gestalt des Hohlraums angenommen hat, der durch die Entfernung des Wachses entstanden ist. Der Kern 30 kann aus dem Inneren des Schaufelblatts 10 mittels aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren entfernt werden. Beispielsweise kann der Kern 30 durch ein Auslaugverfahren aufgelöst werden, um den Kern 30 zu entfernen, wobei der Hohlraum 18 und Kühlkanäle 24 in dem Schaufelblatt 10 zurück bleibt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Systems 40 zum Erzeugen zusätzlicher Kühlkanäle 24 durch das Schaufelblatt 10. Wie in 3 dargestellt, kann eine Wärmedämmschicht 36 über wenigstens einen Abschnitt der Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 aufgebracht werden. Die Wärmedämmschicht 36 kann ein geringes Emissionsvermögen oder ein hohes Reflexionsvermögen für Wärme, eine ebenmäßige Oberfläche und/oder eine gute Haftung an der zugrundeliegenden Außenfläche 12 aufweisen. Beispielsweise beinhalten aus dem Stand der Technik bekannte Wärmedämmschichten Metalloxide, z. B. Zirkonerde (ZrO₂), die teilweise oder vollständig durch Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesia (MgO) oder andere Edelmetalloxide stabilisiert sind. Die ausgewählte Wärmedämmschicht 36 kann durch herkömmliche Verfahren aufgebracht werden, die Luftplasmaspritzen (APS), Niederdruckplasmasprühen (LPPS), oder eine physikalische Dampfabscheidungs-(PVD)-Technik, z. B. eine Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungstechnik (EBPVD) verwenden, die eine belastungstolerante Säulenkornstruktur liefert. Die ausgewählte Wärmedämmschicht 36 kann auch mittels einer Kombination beliebiger der obigen Verfahren aufgebracht werden, um ein Band auszubilden, das anschließend übertragen wird, um auf das zugrundeliegende Substrat aufgebracht zu werden, wie beispielsweise in dem US-Patent 6165600 beschrieben, das demselben Anmelder gehört wie die vorliegende Erfindung.
Die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele des Systems 40 können allgemein einen Laser 42, einen Kollimator 44 und eine Steuereinrichtung 46 enthalten. Der Laser 42 kann eine beliebige Einrichtung beinhalten, die in der Lage ist, einen nicht fokussierten Laserstrahl 48 zu erzeugen. Beispielsweise kann der Laser 42 ein optisch gepumpter Nd:YAG-Laser sein, der in der Lage ist, den nicht fokussierten Laserstrahl bei einer Pulsfrequenz von etwa 10–50 kHz, einer Wellenlänge von etwa 500–550 nm, und einer mittleren Leistung von etwa 10–100 W zu erzeugen.
In dem in 3 gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel, lenkt der Laser 42 den nicht fokussierten Laserstrahl 48 durch eine Linse 50 zu dem Kollimator 44. In dem hier verwendeten Sinne beinhaltet der Kollimator 44 eine beliebige Einrichtung, die einen Strahl von Partikeln oder Wellen verengt und/oder ausrichtet, um zu bewirken, dass der räumliche Querschnitt des Strahls kleiner wird. Beispielsweise kann der Kollimator 44, wie in 3 gezeigt, eine Kammer 52 aufweisen, die den nicht fokussierten Laserstrahl 48 zusammen mit einem Fluid 54, z. B. einem deionisierten oder gefilterten Wasser, aufnimmt. Eine Öffnung oder Düse 56 mit einem Durchmesser von etwa 20–150 μm lenkt den nicht fokussierten Laserstrahl 48 im Inneren einer Fluidsäule 58 in Richtung des Schaufelblatts 10. Die Fluidsäule 58 kann einen Druck von etwa 700–1500 Pfund pro Quadratzoll aufweisen, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen speziellen Druck für die Fluidsäule 58 beschränkt ist, es sei denn, dies ist in den Ansprüchen speziell erwähnt. Wie in der vergrößerten Ansicht in 3 gezeigt, ist die Fluidsäule 58 von Luft umgeben und wirkt für den nicht fokussierten Laserstrahl 48 als ein Lichtleiter, um einen fokussierten oder begrenzten Laserstrahl 60 zu erzeugen, der auf das Schaufelblatt 10 gerichtet wird.
Der begrenzte Laserstrahl 60 trägt die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 ab, wobei schließlich der gewünschte Kühlkanal 24 durch das Schaufelblatt 10 hindurch entsteht. Die zylindrische Geometrie der Fluidsäule 58 und der sich ergebende begrenzte Laserstrahl 60 bringen in grober Annäherung parallele Seiten in den Kühlkanälen 24 hervor. Im Ergebnis können die Längen- und Seitenverhältnisse für die Kühlkanäle 24, die durch das System 40 erzeugt werden, größer sein als sie zuvor mittels herkömmlicher fokussierter Laserstrahlen erreicht wurden. Beispielsweise kann das in 3 gezeigte System 40 abhängig von der speziellen Zusammensetzung des Schaufelblatts 10 Kühlkanäle 24 durch die Außenfläche 12 des Schaufelblatts mit Längen- und Seitenverhältnisse bis zehn oder darüber erzeugen.
Die Steuereinrichtung 46 kann eine beliebige geeignete Computervorrichtung sein, die einen Prozessor verwendet. Beispielsweise geeigneter Steuereinrichtungen 46 sind Personalcomputer, Mobiltelefone (z. B. Smartphones), Minicomputer, Tablets, Laptops, Desktops, Workstations, Spielkonsolen, Server, sonstige Rechner und/oder beliebige sonstige Computervorrichtungen. Wie in 3 dargestellt, kann die Steuereinrichtung 46 einen oder mehrere Prozessoren 62 und einen zugeordneten Speicher 64 enthalten. Der eine oder die mehreren Prozessoren 62 können allgemein auf einer oder mehreren geeigneten Verarbeitungsvorrichtungen basieren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Desgleichen kann der Speicher 64 allgemein auf einem oder mehreren von einem Rechner auslesbaren geeigneten Medien basieren, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, RAM, ROM, Festplatten, Flashlaufwerke oder andere Speichereinrichtungen. Wie allgemein klar, kann der Speicher 64 dazu eingerichtet sein, Daten zu speichern, auf die der (bzw. die) Prozessor(en) 62 zugreifen können, beispielsweise Befehle oder Logik, die durch den (bzw. die) Prozessor(en) 62 ausgeführt werden können. Die Befehle oder die Logik können auf einem beliebigen Satz von Befehlen basieren, die bei Ausführung durch den (bzw. die) Prozessor(en) 62 veranlassen, dass der (bzw. die) Prozessor(en) 62, die gewünschte Funktionalität bereitstellen. Beispielsweise können die Befehle oder die Logik auf Softwarebefehlen basieren, die in ein von einem Rechner auslesbares Format übergeführt werden. Wenn Software verwendet wird, können beliebige geeignete Programmier-, Skript- oder andere Arten von Sprachen oder Kombinationen von Sprachen genutzt werden, um die im Vorliegenden enthaltene Lehre umzusetzen. In einer Abwandlung können die Befehle durch fest verdrahtete Logik oder eine sonstige Schaltung implementiert werden, zu denen, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, anwendungsspezifische Schaltkreise gehören.
Wie in 3 dargestellt, kann ein Sensor 66 betriebsmäßig mit dem Schaufelblatt 10 verbunden sein und dazu eingerichtet sein, ein Signal 68 zu erzeugen, nachdem der begrenzte Laserstrahl 60 die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 durchdringt. Der Sensor 66 kann eine Photodiode, ein Fluidsensor oder ein beliebiger sonstige Sensor sein, der in der Lage ist, den Zeitpunkt zu erfassen, in dem der begrenzte Laserstrahl 60 die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 vollständig durchdrungen hat. Die Steuereinrichtung 46 ist mit dem Sensor 66 in Datenaustausch verbunden, so dass die Steuereinrichtung 46 das Signal 68 aufnimmt. Die Steuereinrichtung 46 kann eine Logik 70 ausführen, die in dem Speicher 64 gespeichert ist, um den Betrieb des Laserstrahls 42 auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Fehlens einer vorbestimmten Bedingung zu steuern. Beispielsweise kann die vorbestimmte Bedingung ein vorbestimmtes Zeitintervall sein, das der begrenzte Laserstrahl 60 braucht, um die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 zu durchdringen. Falls die Steuereinrichtung 46 das Signal 68, das kennzeichnet, dass der begrenzte Laserstrahl 60 die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 durchdrungen hat, nicht aufnimmt, bevor das vorgegebene Zeitintervall überschritten ist, kann dies ein Problem oder eine Fehlausrichtung des Systems 40 hinsichtlich der Außenfläche 12 anzeigen. Infolgedessen kann die durch die Steuerungseinrichtung 46 ausgeführte Logik 70 die Steuereinrichtung 46 veranlassen, den Laserstrahl 42 zu deaktivieren, bis das System 40 inspiziert oder untersucht werden kann. Alternativ oder darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 46 einen Hinweis für einen Benutzer ausgeben, die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 relativ zu dem Laserstrahl 42 zu bewegen, um den Betrieb des Systems 40 zu verbessern.
Einem Fachmann wird anhand der hier unterbreiteten Lehre ohne weiteres einleuchten, dass das mit Bezug auf 3 beschriebene und veranschaulichte System 40 ein Verfahren zur Herstellung des Schaufelblatts 10 schaffen kann, und 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des in 1 dargestellten Schaufelblatts 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In den Blöcken 80 und 82 kann das Verfahren beispielsweise die Schritte beinhalten: Ausbilden der Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10, und Ausbilden des Hohlraums 18 im Inneren des Schaufelblatts 10, wie zuvor mit Bezug auf das Schaufelblatt 10 und den Kern 30 beschrieben, die in 1 und 2 gezeigt sind. In Block 84 kann das Verfahren optional den Schritt des Anbringens der Wärmedämmschicht 36 an der Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 beinhalten, wie in 3 gezeigt. In einer Abwandlung kann das Verfahren, wie in 3 gezeigt und durch Block 86 repräsentiert, mit dem Erzeugen des Laserstrahls 48 und dem Begrenzen des Laserstrahls 48 im Inneren der Fluidsäule 58 fortschreiten, um den begrenzten Laserstrahl 60 zu erzeugen. In Block 88 richtet das Verfahren den begrenzten Laserstrahl 60 auf die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10, um mittels des begrenzten Laserstrahls 60 den Kühlkanal 24 durch die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 hindurch auszubilden. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren Kühlkanäle 24 mit einem Längen- und Seitenverhältnis (d. h. dem Verhältnis von Tiefe zu Breite) von mehr als drei, und in manchen Fällen größer als zehn erzeugen.
Weiter kann das Verfahren den durch Block 90 repräsentierten Schritt beinhalten, den Zeitpunkt zu erfassen, in dem der begrenzte Laserstrahl 60 die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 vollständig durchdrungen hat. Der Schritt des Erfassens kann beinhalten, wenigstens ein Licht und/oder Fluid im Inneren des Hohlraums 18 des Schaufelblatts 10 zu erfassen. Darüber hinaus kann das Verfahren, wie durch Entscheidungsraute 92 angezeigt, das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, in dem der begrenzte Laserstrahl 60 auf die Außenfläche 12 gerichtet wird, und dem Zeitpunkt messen, in dem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche 12 durchdrang. Falls das Zeitintervall das vorgegebene Zeitintervall überschreitet, kann das Verfahren, wie durch die Linie 94 angezeigt, den Laserstrahl 42 deaktivieren. Alternativ oder darüber hinaus kann das Verfahren den durch Block 96 angezeigten Schritt beinhalten, die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 relativ zu dem Laserstrahl 42 zu bewegen, um den Betrieb zu verbessern, falls das Zeitintervall das vorgegebene Zeitintervall überschreitet.
Das hier beschriebene System 40 und die Verfahren können einen oder mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen fokussierten Lasern bieten. Beispielsweise stellt die Fluidsäule 58 der Außenfläche 12 Kühlung bereit, um thermische Schäden, die in Zusammenhang mit herkömmlichen fokussierten Laser auftreten können, zu reduzieren oder zu vermeiden. Darüber hinaus erlauben die zylindrische Form der Fluidsäule 58 und der begrenzte Laserstrahl 60 ein effizientes Abtragen der Außenfläche 12 in unterschiedlichen Entfernungen von dem Laserstrahl 42. Infolgedessen hängt die Zeit, die das System 40 benötigt, um die Kühlkanäle 24 durch die Außenfläche 12 des Schaufelblatts 10 auszubilden, nicht mehr von einer genauen Positionierung der Außenfläche 12 relativ zu dem Laserstrahl 42 ab. Darüber hinaus bringen die zylindrische Form der Fluidsäule 58 und der begrenzte Laserstrahl 60 parallele Einschnittwände hervor, was größere Längen- und Seitenverhältnisse erlaubt, als zuvor mittels herkömmlicher fokussierter Laser möglich war.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die nur unwesentlich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche abweichen.
Ein System zur Herstellung eines Schaufelblatts weist eine Außenfläche des Schaufelblatts, einen Hohlraum im Inneren des Schaufelblatts und einen Kollimator außerhalb des Schaufelblatts auf. Zu dem System gehören zudem eine Fluidsäule, die von dem Kollimator in Richtung der Außenfläche des Schaufelblatts strömt, und ein Laserstrahl im Inneren der Fluidsäule erzeugt einen begrenzten Laserstrahl, der auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet ist. Ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts beinhaltet die Schritte: Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen, Richten des begrenzten Laserstrahls auf eine Außenfläche des Schaufelblatts, und Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts hindurch mittels des begrenzten Laserstrahls.
Bezugszeichenliste

10: Schaufelblatt
12: Außenfläche
14: Druckseite
16: Saugseite
18: Hohlraum
20: Anströmkante
22: Abströmkante
24: Kühlkanäle
30: Kern
32: Serpentinenabschnitt
34: Vorsprünge
36: Wärmedämmschicht
40: System
42: Laser
44: Kollimator
46: Steuereinrichtung
48: Nicht fokussierter Laserstrahl
50: Linse
52: Kammer
54: Fluid
56: Düse
58: Fluidsäule
60: Begrenzter Laserstrahl
62: Prozessor
64: Speicher
66: Sensor
68: Signal
70: Logik
80: Ausbilden der Außenfläche eines Schaufelblatts
82: Ausbilden eines Hohlraums im Innern des Schaufelblatts
84: Anbringen einer Wärmedämmschicht
86: Erzeugen und Begrenzen eines Laserstrahls
88: Richten eines begrenzten Laserstrahls auf die Außenfläche
90: Erfassen des Laserstrahls, der durch die Außenfläche dringt
92: Messen der Zeit
94: Laserstrahl deaktiviert
96: Einstellen der Position der Außenfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6165600 [0043]

Claims

System zur Herstellung eines Schaufelblatts, wobei zu dem System gehören: a) eine Außenfläche des Schaufelblatts; b) ein Hohlraum im Inneren des Schaufelblatts; c) ein Kollimator außerhalb des Schaufelblatts; d) eine Fluidsäule, die von dem Kollimator in Richtung der Außenfläche des Schaufelblatts strömt; und e) ein Laserstrahl im Inneren der Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen, der auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet ist.
System nach Anspruch 1, zu dem auch ein Sensor gehört, der mit dem Schaufelblatt geeignet verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein Signal zu erzeugen, nachdem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts durchdringt.
System nach Anspruch 2, ferner mit einer Steuereinrichtung, die mit dem Sensor Daten austauscht, so dass die Steuereinrichtung das Signal aufnimmt, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Logik auszuführen, die in einem Arbeitsspeicher gespeichert ist und den Laserstrahl deaktiviert, wenn eine vorbestimmte Bedingung vorliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblatts, mit den Schritten: a) Begrenzen eines Laserstrahls im Inneren einer Fluidsäule, um einen begrenzten Laserstrahl zu erzeugen; b) Richten des begrenzten Laserstrahls auf eine Außenfläche des Schaufelblatts; und c) Ausbilden eines Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts mittels des begrenzten Laserstrahls.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren zusätzlich beinhaltet: a) Ausbilden einer Außenfläche des Schaufelblatts; b) Ausbilden eines Hohlraums im Inneren des Schaufelblatts;
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Ausbilden des Durchlasskanals durch die Außenfläche des Schaufelblatts ein Ausbilden des Durchlasskanals mit einer Tiefe beinhaltet, die wenigstens dreimal so groß ist wie die Breite.
Verfahren nach einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche, zu dem außerdem der Schritt gehört: Anbringen einer Wärmedämmschicht an der Außenfläche des Schaufelblatts, bevor der begrenzte Laserstrahl auf die Außenfläche des Schaufelblatts gerichtet wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt des Erfassens des Zeitpunkts, in dem der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts vollständig durchdrungen hat.
Verfahren nach einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche, weiter mit den Schritt: Messen eines Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt des Richtens des begrenzten Laserstrahls auf die Außenfläche des Schaufelblatts und dem Zeitpunkt, in dem erfasst ist, dass der begrenzte Laserstrahl die Außenfläche des Schaufelblatts vollständig durchdrungen hat.
Verfahren nach einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt: Bewegen der Außenfläche des Schaufelblatts relativ zu dem Laserstrahl, falls das Zeitintervall einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.