DE102015212419A1 - Schaufelanordnung für eine Gasturbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung (1) für eine Gasturbine umfassend eine metallische Stützstruktur, die zumindest eine sich in einer radialen Richtung erstreckende Stützstrebe (3, 4, 5) aufweist, und eine Vielzahl von an der Stützstruktur übereinander angeordneten, plattenförmig ausgebildeten und aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Schaufelblattsegmenten (6), die gemeinsam die Umfangskontur eines Schaufelblattes definieren, wobei die Schaufelblattsegmente (6) mit Durchgangsöffnungen (12) versehen sind, durch die sich die zumindest eine Stützstrebe (3, 4, 5) erstreckt, wobei die zumindest eine Stützstrebe (3, 4, 5) auswärts vorstehende, sich quer zur radialen Richtung erstreckende Vorsprünge (9) aufweist, die in an den Schaufelblattsegmenten (6) korrespondierend ausgebildete Aussparungen (13) greifen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung für eine Gasturbine umfassend eine metallische Stützstruktur, die zumindest eine sich in einer radialen Richtung erstreckende Stützstrebe aufweist, und eine Vielzahl von an der Stützstruktur übereinander angeordneten, plattenförmig ausgebildeten und aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff herstellten Schaufelblattsegmenten, die gemeinsam die Umfangskontur eines Schaufelblattes definieren, wobei die Schaufelblattsegmente mit Durchgangsöffnungen versehen sind, durch die sich die zumindest eine Stützstrebe erstreckt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Schaufelanordnung.
- Schaufelanordnungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. So offenbart beispielsweise die
US 2006/00120871 A1 US 2006/0120874 A1 - Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaufelanordnung der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Schaufelanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die zumindest eine Stützstrebe auswärts vorstehende, sich quer zur radialen Richtung erstreckende Vorsprünge aufweist, die in an den Schaufelblattsegmenten korrespondierend ausgebildete Aussparungen greifen. Dank derartiger Vorsprünge und Aussparungen werden Schaufelblattsegmente mit der zumindest einen Stützstrebe ohne den Einsatz gesonderter Befestigungsmittel direkt verbunden, wodurch eine Relativbewegung der entsprechenden Schaufelblattsegmente in einer Richtung quer zur radialen Richtung effektiv verhindert wird.
- Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Stützstruktur mehrere Stützstreben auf, insbesondere drei Stützstreben, wobei natürlich auch eine hiervon abweichende Anzahl von Stützstreben vorgesehen sein kann. Insgesamt wird durch das Vorsehen mehrerer Stützstreben eine sehr stabile Anordnung erzielt.
- Bevorzugt weist die zumindest eine Stützstrebe einen unrunden Querschnitt auf, insbesondere einen Querschnitt, welcher der Umfangskontur des Schaufelblattes folgt. Eine derartige Wahl des Querschnittes ist der Stabilität der Anordnung ebenfalls sehr zuträglich.
- Vorteilhaft ist die zumindest eine Stützstrebe hohl ausgebildet. In diesem Fall kann während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Schaufelanordnung durch die Stützstrebe ein Kühlfluid geleitet werden, so dass die zumindest eine Stützstrebe einen Kühlkanal definiert.
- Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Stützstruktur eine sich im Wesentlichen parallel zu den Schaufelblattsegmenten erstreckende Plattform auf, von der die zumindest eine Stützstrebe radial auswärts hervorsteht, wobei die Schaufelblattsegmente auf der Plattform gestapelt sind. Eine solche Plattform verbindet zum einen die Stützstreben miteinander, wenn mehrere Stützstreben vorgesehen sind. Zum anderen definiert die Plattform einen definierten Untergrund, auf den die Schaufelblattsegmente gestapelt werden können. Darüber hinaus kann eine solche Plattform mit einem Schaufelfuß versehen oder einteilig mit einem solchen ausgebildet werden, der zur Befestigung der Schaufelanordnung an einer Gasturbinenkomponente dient.
- Bevorzugt ist zwischen der zumindest einen Stützstrebe und denjenigen Durchgangsöffnungen der Schaufelblattsegmente, durch die sich diese erstreckt, ein definierter Ringspalt ausgebildet. Ein solcher Ringspalt stellt für den Fall, dass sich die Schaufelblattsegmente während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Schaufelanordnung thermisch ausdehnen, ausreichend Raum zur Verfügung, um die Entstehung schädlicher thermischer Spannungen zu vermeiden.
- Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erstrecken sich die Aussparungen jeweils ausgehend von einer Oberseite der Schaufelblattsegmente. Dies hat zur Folge, dass sich die Vorsprünge einfach fertigen lassen, wie es nachfolgend noch näher erläutert ist.
- Bevorzugt sind die Aussparungen in Form von Fasen ausgebildet, die sich beispielsweise entlang des Umfangs einer Durchgangsöffnung erstrecken.
- Vorteilhaft sind die Vorsprünge im Wesentlichen formschlüssig in den Aussparungen aufgenommen. Auf diese Weise wird ein besonders guter Zusammenhalt zwischen der zumindest einen Stützstrebe und den Schaufelblattsegmenten erzielt.
- Bevorzugt ist jedes Schaufelblattsegment mit zumindest einer Aussparung versehen, in die ein zugeordneter Vorsprung greift. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung jedes Schaufelblattsegment mit der zumindest einen Stützstrebe verbunden.
- Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung sind die Außenflächen der Schaufelblattsegmente mit einer Beschichtung versehen, insbesondere mit einer Wärmebarrierebeschichtung.
- Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaufelanordnung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest die Stützstreben der Stützstruktur unter Verwendung eines generativen Verfahrens hergestellt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein SLM-Verfahren(Selective Laser Melting), ein Flammspritzverfahren, ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren oder auch ein Auftragsschweißverfahren handeln, um nur einige Beispiele zu nennen.
- Vorteilhaft wechseln ein Stapeln der Schaufelblattsegmente und eine schrittweise Herstellung der zumindest einen Stützstrebe einander derart ab, dass nach einem Anordnung eines mit einer Aussparung versehenen Schaufelblattsegments ein Teilbereich der zumindest einen Stützstrebe einschließlich eines in die Aussparung greifenden Vorsprungs generiert wird. Auf diese Weise lassen sich die in die Aussparungen greifenden Vorsprünge ohne weiteres fertigen. Auch die Realisierung eines Formschlusses zwischen den Vorsprüngen und den Aussparungen stellt keinerlei Probleme dar.
- Bevorzugt erfolgt das Stapeln der Schaufelblattsegmente unter Verwendung eines Roboters. Auf diese Weise kann der gesamte Herstellungsprozess der Schaufelanordnung mit hohem Automatisierungsgrad durchgeführt werden.
- Vorteilhaft werden die Außenflächen der Schaufelblattsegmente mit einer Beschichtung versehen, insbesondere mit einer Wärmebarrierebeschichtung, wobei die Beschichtung vorteilhaft nachträglich vorgesehen wird.
- Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Schaufelanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich.
- Darin ist/sind
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Schaufelanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Draufsicht eines Schaufelblattsegmentes der in1 gezeigten Schaufelanordnung; -
3 eine schematische Draufsicht einer Plattform einer Stützstruktur der in1 gezeigten Schaufelanordnung und -
4 bis7 schematische Schnittansichten, anhand derer die Herstellung der in1 gezeigten Schaufelanordnung unter Einsatz eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert wird. - Die
1 bis3 zeigen eine Schaufelanordnung1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. Komponenten derselben. Bei der Schaufelanordnung1 handelt es sich um eine solche für eine Gasturbine, wobei die Schaufelanordnung1 grundsätzlich sowohl als Laufschaufel als auch als Leitschaufel ausgebildet sein kann, auch wenn dies vorliegend nicht näher dargestellt ist. Die Schaufelanordnung1 umfasst als Hauptkomponenten eine metallische Stützstruktur mit einer Plattform2 und drei Stützstreben3 ,4 und5 , die sich ausgehend von der Plattform2 in einer radialen Richtung R erstrecken, und eine Vielzahl von an der Stützstruktur übereinander angeordneten und plattenförmig ausgebildeten Schaufelblattsegmenten6 , die gemeinsam die Umfangskontur eines Schaufelblattes definieren. - Die Stützstruktur, die in erster Linie dazu dient, während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Schaufelanordnung
1 die auf diese einwirkenden Kräfte aufzunehmen und abzuleiten, ist aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wie beispielsweise aus einer Nickel-Basis-Legierung, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Plattform2 weist eine im Wesentlichen konvex gewölbte Saugseite7 und eine im Wesentlichen konkav gewölbte Druckseite8 auf, wobei grundsätzlich andere Geometrien möglich sind. Bei der Plattform2 kann es sich um ein vorgefertigtes Bauteil handeln, das beispielsweise mittels Gießen und anschließender mechanischer Bearbeitung hergestellt wurde. Alternativ kann die Plattform2 auch unter Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sein, wie beispielsweise mittels eines SLM-Verfahrens, wobei natürlich auch andere generative Fertigungsverfahren möglich sind. Die Stützstreben3 ,4 und5 sind unter Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt und fest mit der Plattform2 verbunden, wie es nachfolgend noch näher erläutert ist. Sie erstrecken sich ausgehend von der Plattform2 im Wesentlichen parallel zueinander, sind hohl ausgebildet und weisen vorliegend jeweils einen unrunden Querschnitt auf, der vorliegend der Umfangskontur des Schaufelblattes folgt. Auf Höhe der Oberkante jedes Schaufelblattsegmentes6 sind die Stützstreben3 ,4 und5 jeweils umfänglich mit auswärts vorstehenden, sich quer zur radialen Richtung erstreckenden Vorsprüngen9 versehen. - Die Schaufelblattsegmente
6 sind jeweils aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt. Als keramischer Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise Al2O3 2O3/Al2O3, C/SiC, SiC/SiC oder dergleichen verwendet werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Analog zu der Plattform2 umfassen die Schaufelblattsegmente6 eine Saugseite10 und eine Druckseite11 , wobei die Außenkonturen benachbart angeordneter Schaufelblattsegmente6 bevorzugt miteinander fluchtend ausgebildet sind, ebenso wie vorliegend die Außenkontur der Plattform2 mit der Außenkontor des benachbart angeordneten Schaufelblattsegmentes6 fluchten. Die Schaufelblattsegmente6 sind jeweils mit drei Durchgangsöffnungen12 versehen, durch die sich die jeweiligen Stützstreben3 ,4 und5 erstrecken. Zwischen den Schaufelblattsegmenten6 und den Stützstreben3 ,4 und5 kann ein definierter Ringspalt belassen sein, der nur von den Vorsprüngen9 unterbrochen wird. Ein solcher Ringspalt kann während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Schaufelanordnung1 dahingehend von Vorteil sein, dass im Fall thermischer Ausdehnungen der Stützstreben3 ,4 und5 und/oder der Schaufelblattsegmente6 ein angemessener Ausweichraum geschaffen wird, der das Auftreten thermischer Spannungen reduziert oder verhindert. Ausgehend von der Oberseite jedes Schaufelblattsegmentes6 sind umlaufende, fasenförmig ausgebildete Aussparungen13 vorgesehen, die sich entlang der Randbereiche der jeweiligen Durchgangsöffnungen12 erstrecken. In diese Aussparungen13 greifen formschlüssig die von den Stützstreben3 ,4 und5 vorstehenden Vorsprünge9 ein, so dass jedes Schaufelblattsegment6 fest mit den Stützstreben3 ,4 und5 verbunden ist. Zur Herstellung der in1 dargestellten Schaufelanordnung1 wird in einem ersten Schritt, wie es in4 schematisch dargestellt ist, die Plattform2 der Stützstruktur am Untergrund angeordnet. Daraufhin wird der Plattform2 ein Schaufelblattsegment6 derart positioniert, dass die Außenkontur des Schaufelblattsegmentes6 mit der Außenkontur der Plattform2 fluchtet. Die Positionierung des Schaufelblattsegmentes kann dabei unter Einsatz eines Roboters erfolgen, auch wenn dies vorliegend nicht dargestellt ist. - In einem weiteren Schritt werden entlang des Umfangs der jeweiligen Durchgangsöffnungen
12 auf der Plattform2 unter Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens Teilbereiche der Stützstreben3 ,4 und5 bis zur Oberkante des Schaufelblattsegmentes6 schichtweise generiert, wobei auch die Aussparungen13 unter Erzeugung der Vorsprünge9 mit metallischem Material gefüllt werden, wie es in5 gezeigt ist.4 zeigt in diesem Zusammenhang schematisch eine Düsenanordnung14 , mit der pulverförmiges metallisches Material in Richtung der Plattform2 gerichtet und unter Einsatz eines Lasers aufgeschmolzen wird. Es sollte klar sein, dass grundsätzlich jedes generative LMD-Verfahren (Laser-Metal-Deposition) eingesetzt werden kann. - In einem sich anschließenden Schritt wird, wie es in
6 dargestellt ist, ein weiteres Schaufelblattsegment6 auf dem bereits an der Plattform2 befestigten Schaufelblattsegment6 positioniert, woraufhin erneut Teilbereiche der Stützstreben3 ,4 und5 schichtweise generiert werden, siehe7 . Die zuvor beschriebenen Schritte werden wiederholt, bis die in1 dargestellte Schaufelanordnung1 fertiggestellt ist. Mit anderen Worten wechseln sich ein Stapeln der Schaufelblattsegmente6 und eine schrittweise Herstellung der Stützstreben3 ,4 und5 ab, wobei nach einem Anordnen eines mit einer Aussparung13 versehenen Schaufelblattsegments6 jeweils ein Teilbereich der Stützstreben3 ,4 und5 einschließlich eines in die Aussparung13 greifenden Vorsprungs9 generiert wird. - Nach Fertigstellung der in
1 dargestellten Schaufelanordnung1 kann zur Ausbildung einer Schaufelspitze eine oberste metallische Decklage angeordnet werden, die mit Kühlfluidauslassbohrungen versehen und beispielsweise mittels Auftragsschweißen hergestellt sein kann. Alternativ kann eine vorgefertigte Decklage aber auch mittels Hochtemperaturlöten oder dergleichen an der metallischen Stützstruktur fixiert werden. Ferner kann die in1 dargestellte Schaufelanordnung1 mit einer Beschichtung versehen werden, beispielsweise mit einer Wärmebarrierebeschichtung, wenn dies gewünscht ist. - Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei der Herstellung einer Hybrid-Schaufelanordnung
1 die einzelnen Schaufelblattsegmente6 in allen Raumrichtungen fest und sicher mit der Stützstruktur verbunden werden, ohne dass es hierzu gesonderter Befestigungsmittel bedarf. - 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.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2006/00120871 A1 [0002]
- US 2006/0120874 A1 [0002]
Claims (15)
- Schaufelanordnung (
1 ) für eine Gasturbine, umfassend eine metallische Stützstruktur, die zumindest eine sich in einer radialen Richtung erstreckende Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) aufweist, und eine Vielzahl von an der Stützstruktur übereinander angeordneten, plattenförmig ausgebildeten und aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Schaufelblattsegmenten (6 ), die gemeinsam zumindest einen Teil einer Umfangskontur eines Schaufelblattes definieren, wobei die Schaufelblattsegmente (6 ) mit Durchgangsöffnungen (12 ) versehen sind, durch die sich die zumindest eine Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) auswärts vorstehende, sich quer zur radialen Richtung erstreckende Vorsprünge (9 ) aufweist, die in an den Schaufelblattsegmenten (6 ) korrespondierend ausgebildete Aussparungen (13 ) greifen. - Schaufelanordnung (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur mehrere Stützstreben (3 ,4 ,5 ) aufweist, insbesondere drei Stützstreben(3 ,4 ,5 ). - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) einen unrunden Querschnitt aufweist, insbesondere einen Querschnitt, welcher der Umfangskontur des Schaufelblattes folgt. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) hohl ausgebildet ist. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur eine sich im Wesentlichen parallel zu den Schaufelblattsegmenten (6 ) erstreckende Plattform (2 ) aufweist, von der die zumindest eine Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) radial auswärts vorsteht, wobei die Schaufelblattsegmente (6 ) auf der Plattform (2 ) gestapelt sind. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zumindest einen Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) und denjenigen Durchgangsöffnungen (12 ) der Schaufelblattsegmente (6 ), durch die sich diese erstreckt, ein definierter Ringspalt ausgebildet ist. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparungen (13 ) jeweils ausgehend von einer Oberseite der Schaufelblattsegmente (6 ) erstrecken. - Schaufelanordnung (
1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (13 ) in Form von Fasen ausgebildet sind. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (9 ) im Wesentlichen formschlüssig in den Aussparungen (13 ) aufgenommen sind. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaufelblattsegment mit zumindest einer Aussparung (13 ) versehen ist, in die ein zugeordneter Vorsprung (12 ) greift. - Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der Schaufelblattsegmente (6 ) mit einer Beschichtung versehen sind, insbesondere mit einer Wärmebarrierebeschichtung. - Verfahren zur Herstellung einer Schaufelanordnung (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stützstreben (3 ,4 ,5 ) der Stützstruktur unter Verwendung eines generativen Verfahrens hergestellt werden. - Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stapeln der Schaufelblattsegmente (
6 ) und eine schrittweise Herstellung der zumindest einen Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) einander derart abwechseln, dass nach einem Anordnen eines mit einer Aussparung (13 ) versehenen Schaufelblattsegments (6 ) ein Teilbereich der zumindest einen Stützstrebe (3 ,4 ,5 ) einschließlich eines in die Aussparung (13 ) greifenden Vorsprungs (12 ) generiert wird. - Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stapeln der Schaufelblattsegmente (
6 ) unter Verwendung eines Roboters erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der Schaufelblattsegmente (
6 ) mit einer Beschichtung versehen werden, insbesondere mit einer Wärmebarrierebeschichtung.
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