DE102015203175A1

DE102015203175A1 - Leit- oder Laufschaufeleinrichtung und Gießkern

Info

Publication number: DE102015203175A1
Application number: DE102015203175.6A
Authority: DE
Inventors: Fathi Ahmad; Nihal Kurt; Ralf Müsgen; Martin Williams
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-08-25
Also published as: WO2016134907A2; WO2016134907A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1), die aus einer Metalllegierung gegossen ist und zumindest eine Schaufelplattform (3) sowie ein einteilig mit der Schaufelplattform (3) ausgebildetes Schaufelblatt (4) umfasst, wobei sich ausgehend von der Schaufelplattform (3) bis zur Spitze des Schaufelblattes (4) ein Hohlraum (6) erstreckt, der durch zumindest eine im Bereich des Schaufelblattes (4) angeordnete und sich zwischen zwei gegenüberliegenden Außenwandungen des Schaufelblattes (4) erstreckende Trennwand (7, 8) in Kammern (9, 10, 11) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der freien Stirnseite der Trennwand (7), die benachbart zur Schaufelplattform (3) angeordnet ist, zumindest ein Vorsprung (13, 14) ausgebildet ist, der in Richtung der Schaufelplattform (3) vorsteht. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung zumindest eines Gießkerns (2) zur Herstellung des Hohlraums (6) einer solchen Leitschaufeleinrichtung (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leit- oder Laufschaufeleinrichtung, die aus einer Metalllegierung gegossen ist und zumindest eine Schaufelplattform sowie ein einteilig mit der Schaufelplattform ausgebildetes Schaufelblatt umfasst, wobei sich ausgehend von der Schaufelplattform bis zur Spitze des Schaufelblattes ein Hohlraum erstreckt, der durch zumindest eine im Bereich des Schaufelblattes angeordnete und sich zwischen zwei gegenüberliegenden Außenwandungen des Schaufelblattes erstreckende Trennwand in Kammern unterteilt ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung zumindest eines Gießkerns zur Herstellung des Hohlraums einer solchen Leit- oder Laufschaufeleinrichtung.
Leit- oder Laufschaufeleinrichtungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden in Strömungsmaschinen eingesetzt, wie beispielsweise in Verdichtern und Turbinen. Während des Betriebs sind Leitschaufeleinrichtungen sehr hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, weshalb sie insbesondere hinsichtlich der Ermüdung (LCF & HCF-Ermüdung) sowie der Langzeitbelastung (Kriechen) entsprechend ausgelegt werden müssen. Beide Ermüdungsarten hängen in erster Linie von einer gleichmäßigen Gefügestruktur der gegossenen Leit- oder Laufschaufeleinrichtung ab, vor allem in stark beanspruchten Bereichen, wie beispielsweise im Übergangsbereich zwischen Schaufelplattform und Schaufelblatt. Entsprechend wirken sich Defekte innerhalb der Gefügestruktur sehr nachteilig auf die Widerstandsfähigkeit von Leit- oder Laufschaufeleinrichtungen aus und können zu frühzeitigen Verschleißerscheinungen führen, insbesondere zu Rissbildungen, die einen ordnungsgemäßen Betrieb der Strömungsmaschine gefährden. Zu solchen Defekten zählen unter anderem Poren und Mikrolunker, die während des Gießprozesses einer Leit- oder Laufschaufeleinrichtung in der Gefügestruktur entstehen können und auf Unterschiede der Gaslöslichkeit im flüssigen und festen Zustand von Metalllegierungen zurückzuführen sind. Insbesondere im Erstarrungsintervall nimmt die Gaslöslichkeit stark ab, was zur Freisetzung von Gasblasen führt, die von der erstarrenden Schmelze eingeschlossen werden und letztendlich Poren und Mikrolunker bilden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leit- oder Laufschaufeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere in stark beanspruchten Bereichen eine sehr gleichmäßige Gefügestruktur aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Leit- oder Laufschaufeleinrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass im Bereich der freien Stirnseite der Trennwand, die benachbart zur Schaufelplattform angeordnet ist, zumindest ein Vorsprung ausgebildet ist, der in Richtung der Schaufelplattform vorsteht. Die Ausbildung eines solchen Vorsprungs bzw. solcher Vorsprünge am Ende der Trennwand benachbart zur Schaufelplattform wirkt sich während des Gießprozesses der Leitschaufeleinrichtung dahingehend vorteilhaft aus, dass trotz der vorhandenen Querschnittsunterschiede zwischen Schaufelplattform und Schaufelblatt bzw. Trennwand eine einheitliche Erstarrung im Übergangsbereich von Schaufelplattform und Schaufelblatt begünstigt wird, was die Ausbildung einer einheitlichen und defektfreien Gefügestruktur fördert, insbesondere die Entstehung von Poren und Mikrolunkern verringert.
Bevorzugt sind die Kammern im Bereich der Spitze des Schaufelblattes miteinander verbunden, wodurch sich ein durchgehender Strömungsweg für ein Kühlfluid ergibt.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der zumindest eine Vorsprung eine längliche Form auf und ist insbesondere stabförmig ausgebildet. Mit einer solchen Vorsprungsform wurden im Rahmen durchgeführter Versuche besonders gute Ergebnisse erzielt.
Bevorzugt beträgt das Maß, um das der zumindest eine Vorsprung von der Trennwand vorsteht, 10 bis 40% des kürzesten Abstandes zwischen der Stirnseite der Trennwand und der Schaufelplattform, insbesondere 10 bis 20% des kürzesten Abstandes zwischen der Stirnseite der Trennwand und der Schaufelplattform. Ein derartiges Maß bzw. eine solche Länge des Vorsprungs trägt zum einen hinreichend zu einer einheitlichen Erstarrung im Übergangsbereich bei. Zum anderen wird verhindert, dass die Vorsprünge während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Leitschaufeleinrichtung einen durch den Hohlraum der Leitschaufeleinrichtung geleiteten Kühlfluidstrom relevant beeinträchtigen. Entsprechend ist es nicht erforderlich, den zumindest einen Vorsprung nach dem Gießen mechanisch zu entfernen, wodurch zusätzlicher Aufwand verhindert wird.
Vorteilhaft beträgt eine Breite oder ein Durchmesser des zumindest einen Vorsprungs 5 bis 25% einer maximalen Wandstärke der Trennwand, insbesondere 5 bis 15%. Auch auf diese Weise können negative Auswirkungen auf den Kühlfluidstrom vermieden werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Paar von benachbart zueinander angeordneten Vorsprüngen vorgesehen, wobei die Vorsprünge zwischen sich einen Winkel definieren, der insbesondere im Bereich von 60 bis 120° liegt. Mit einer solchen Anordnung wurden sehr einheitliche Gefügestrukturen im Übergangsbereich erzielt.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung zumindest eines Gießkerns zur Herstellung des Hohlraums der erfindungsgemäßen Leit- oder Laufschaufeleinrichtung vor, wobei der zumindest eine Gießkern einen die Trennwand definierenden Spalt und zumindest eine sich ausgehend von dem Grund des Spalts erstreckende Aussparung aufweist, die den zumindest einen Vorsprung definiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Leitschaufeleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Beschreibung deutlich. Darin ist
1 eine schematische perspektivische Vorderansicht einer Leitschaufeleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Gießen, wobei ein während des Gießens verwendeter Gießkern noch nicht entfernt ist; und
2 eine vergrößerte perspektivische Rückansicht der in 1 gezeigten Leitschaufeleinrichtung im Bereich einer Schaufelplattform.
Die Figuren zeigen eine gegossene Leitschaufeleinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, nachdem diese aus der Gießform entnommen wurde, wobei ein Gießkern 2 noch nicht aus der Leitschaufeleinrichtung 1 herausgelöst ist. Die Leitschaufeleinrichtung 1 ist aus einer Metalllegierung hergestellt, wie beispielsweise aus einer Superlegierung, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Leitschaufel 1 umfasst eine erste Schaufelplattform 3, die auch als Fußplatte bezeichnet wird, ein sich an die erste Schaufelplattform 3 anschließendes Schaufelblatt 4 sowie eine sich an die Spitze des Schaufelblattes 4 anschließende zweite Schaufelplattform 5, wobei die Schaufelplattformen 3 und 5 sowie das Schaufelblatt 4 einteilig ausgebildet sind. Ausgehend von der ersten Schaufelplattform 3 erstreckt sich bis zur Spitze des Schaufelblattes 4 ein Hohlraum 6, durch den während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Leitschaufeleinrichtung ein Kühlfluid geleitet wird. Der Hohlraum 6 ist vorliegend durch zwei im Bereich des Schaufelblattes 4 angeordnete Trennwände 7 und 8, die sich jeweils zwischen gegenüberliegenden Außenwandungen des Schaufelblattes 4 erstrecken, in drei Kammern 9, 10 und 11 unterteilt, die im Bereich der Plattformen 3 und 5 derart miteinander verbunden sind, dass der Hohlraum 6 insgesamt im Wesentlichen S-förmig ausgebildet ist. Im Bereich der freien Stirnseite der Trennwand 7, die benachbart zur Schaufelplattform 3 angeordnet ist, sind vorliegend zwei stabförmige Vorsprünge 12 und 13 ausgebildet, die in Richtung der Schaufelplattform 3 vorstehen und zwischen sich einen Winkel α definieren. Das Maß, um das die beiden Vorsprünge 12 und 13 von der Trennwand 7 vorstehen, beträgt vorliegend jeweils etwa 15% des kürzesten Abstandes zwischen der Stirnseite der Trennwand 7 und der Schaufelplattform 3, der Durchmesser d der Vorsprünge 12 und 13 etwa 5% der maximalen Wandstärke s der Trennwand 7 und der Winkel α etwa 90°. Es sollte allerdings klar sein, dass die Anzahl, die Form und die Ausrichtung der Vorsprünge 12 und 13 variieren kann.
Der Gießkern 2 ist analog zum Hohlraum 6 S-förmig ausgebildet. Er umfasst zwei Spalte 14 und 15, welche während des Gießens die Trennwände 7 und 8 definieren. Ferner weist er zwei Aussparungen 16 und 17 auf, welche während des Gießens die Vorsprünge 12 und 13 erzeugen. Der Gießkern 2 ist vorliegend einteilig ausgebildet. Alternativ kann er aber auch aus mehreren Stücken zusammengesetzt sein.
Die zuvor beschriebene Ausbildung der Leitschaufeleinrichtung 1 und des Gießkerns 2 ist dahingehend von Vorteil, dass Dank der zu der Schaufelplattform 3 ausgerichteten Vorsprünge 12 und 13, die am freien Ende der Trennwand 7 ausgebildet sind, ein Erstarren der Schmelze nach dem Gießen im Bereich des freien Endes der Trennwand 7 verlangsamt wird, da diesem Bereich von der Schaufelplattform 3 über die Vorsprünge 12 und 13 Wärme zugeführt wird. Entsprechend wird trotz der unterschiedlichen Querschnitte der Schaufelplattform 3 und der Trennwand 7 ein recht einheitliches Erstarrungsverhalten erzielt, wodurch Defekte in der Gefügestruktur im Übergangsbereich von der Schaufelplattform 3 zum Schaufelblatt 4 verhindert oder zumindest verringert werden können, wie beispielsweise Poren oder Lunker, was der Lebensdauer der Leitschaufeleinrichtung zuträglich ist, insbesondere vor dem Hintergrund, dass der besagte Übergangsbereich während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Leitschaufeleinrichtung 1 großen Belastungen ausgesetzt ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1), die aus einer Metalllegierung gegossen ist und zumindest eine Schaufelplattform (3) sowie ein einteilig mit der Schaufelplattform (3) ausgebildetes Schaufelblatt (4) umfasst, wobei sich ausgehend von der Schaufelplattform (3) bis zur Spitze des Schaufelblattes (4) ein Hohlraum (6) erstreckt, der durch zumindest eine im Bereich des Schaufelblattes (4) angeordnete und sich zwischen zwei gegenüberliegenden Außenwandungen des Schaufelblattes (4) erstreckende Trennwand (7, 8) in Kammern (9, 10, 11) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der freien Stirnseite der Trennwand (7), die benachbart zur Schaufelplattform (3) angeordnet ist, zumindest ein Vorsprung (13, 14) ausgebildet ist, der in Richtung der Schaufelplattform (3) vorsteht.
Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (8, 9, 10) im Bereich der Spitze des Schaufelblattes (4) miteinander verbunden sind.
Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Vorsprung (12, 13) eine längliche Form aufweist, insbesondere stabförmig ausgebildet ist.
Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß, um das der zumindest eine Vorsprung (12, 13) von der Trennwand (7) vorsteht, 10 bis 40% des kürzesten Abstandes zwischen der Stirnseite der Trennwand (7) und der Schaufelplattform (3) beträgt, insbesondere 10 bis 20% des kürzesten Abstandes zwischen der Stirnseite der Trennwand (7) und der Schaufelplattform (3).
Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite oder ein Durchmesser (d) des zumindest einen Vorsprungs (12, 13) 5 bis 25% einer maximalen Wandstärke (s) der Trennwand (7) beträgt, insbesondere 5 bis 15%.
Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Paar von benachbart zueinander angeordneten Vorsprüngen (12, 13) vorgesehen ist, wobei die Vorsprünge zwischen sich einen Winkel (α) definieren, der insbesondere im Bereich von 60 bis 120° liegt.
Verwendung zumindest eines Gießkerns (2) zur Herstellung des Hohlraums (6) der Leit- oder Laufschaufeleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Gießkern (2) einen die Trennwand (7, 8) definierenden Spalt (14, 15) und zumindest eine sich ausgehend von dem Grund des Spalts (14, 15) erstreckende Aussparung (16, 17) aufweist, die den zumindest einen Vorsprung (12, 13) definiert.