DE102016224632A1

DE102016224632A1 - Plattenförmiges Bauteil einer Gasturbine sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102016224632A1
Application number: DE102016224632.1A
Authority: DE
Inventors: Kay HEINZE
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US20180163964A1; US10753612B2; EP3333484A1; EP3333484B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein plattenförmiges Bauteil einer Gasturbine mit einem Grundkörper (1), welcher an zumindest einem Randbereich einstückig mit einer im Wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche des Grundkörpers (1) ausgebildeten Randleiste (2) versehen ist, wobei der Grundkörper (1) eine unterschiedliche Dicke (d1) aufweist, als die Randleiste (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Randleiste (2) und dem Grundkörper (1) ein einstückig mit dem Grundkörper (1) und der Randleiste (2) verbundener, mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt versehener Stützkörper (3) angeordnet ist, welcher mit mehreren schlitzartigen Ausnehmungen (4) versehen ist, in welchen jeweils ein den Grundkörper durchdringendes Kühlluftloch (5) angeordnet ist sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein plattenförmiges Bauteil einer Gasturbine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Bauteils, insbesondere einer Gasturbine.
Im Einzelnen betrifft die Erfindung ein plattenförmiges Bauteil, welches bspw. in Form einer Brennkammerschindel ausgebildet ist. Das plattenförmige Bauteil weist einen Grundkörper auf, an welchem zumindest ein Randbereich vorgesehen ist. Dieser Randbereich ist in Form einer Randleiste ausgebildet, welche sich im Wesentlichen zur Oberfläche des Grundkörpers erstreckt. Weiterhin weist die Randleiste eine Dicke auf, welche sich von der Dicke des Grundkörpers unterscheidet. Üblicherweise ist die Randleiste mit einer größeren Dicke ausgebildet, als der Grundkörper selbst.
Ein derartiges plattenförmiges Bauteil in Form einer Brennkammerschindel ist aus der WO 2015069466 A1 vorbekannt. Weiterhin wird auf die EP 2 873 921 A1 Bezug genommen.
Bauteile der beschriebenen Art werden bevorzugterweise mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt, bspw. mittels eines Laserauftragsschweißverfahrens oder mittels DLD-direct laser deposition. Dabei wird das jeweilige Bauteil aus einem Pulvervorrat Schicht für Schicht durch Aufschmelzen des Pulvers aufgebaut. Dies führt zur lokalen Verfestigung der jeweiligen aufgeschmolzenen Schicht. Somit können komplexe 3D-Geometrien erzeugt werden.
Während des Herstellungsverfahrens können geometrische Veränderungen der Bauteildicke in Abhängigkeit von der Orientierungsrichtung des Bauteils bei der Herstellung schon während des Aufschmelzverfahrens zu Spannungen und Rissen führen. Es können sich in dem Bauteil hohe Eigenspannungen aufbauen, die zu einem Versagen des Bauteils führen können. Zur Vermeidung derartiger starker Übergänge der jeweiligen Bauteildicken oder Bauteilvolumina ist es bekannt, Unterstützungsstrukturen zu nutzen, die zu einem geringeren Gradienten bei der Bauteildickenänderung führen. Derartige Unterstützungsstrukturen führen entweder zu lokalen vergrößerten Volumen-Bereichen der Bauteile oder müssen nachfolgend wieder entfernt werden. Im ersteren Fall erweisen sich die vergrößerten Bauteil-Volumina im Hinblick auf die Kühlung des Bauteils, bspw. einer Brennkammerschindel, als problematisch. Eine nachträgliche Entfernung der Unterstützungsstrukturen ist zum einen fertigungstechnisch aufwendig und stellt zum anderen nicht sicher, dass sich während der Fertigung bereits hohe Eigenspannungen, die zu Rissen führen können, gebildet haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein plattenförmiges Bauteil, insbesondere für eine Gasturbine, insbesondere in Form einer Brennkammerschindel zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und über günstige Materialeigenschaften verfügt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zwischen der Randleiste und dem Grundkörper ein einstückig mit dem Grundkörper und der Randleiste verbundener Stützkörper angeordnet ist, welcher einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweist und welcher mit mehreren schlitzartigen Ausnehmungen versehen ist, in welchen jeweils ein den Grundkörper durchdringendes Kühlluftloch angeordnet ist.
Durch den erfindungsgemäßen Stützkörper, welcher zwischen dem Grundkörper und der Randleiste angeordnet ist, ergibt sich bei einer üblicherweise vertikalen Ausrichtung des Grundkörpers bei dem additiven Fertigungsverfahren ein zunehmender Übergang von der Wanddicke des Grundkörpers zu der Randleiste oder umgekehrt. Plötzliche geometrische Veränderungen, die zu Eigenspannungen und Rissbildungen führen könnten, werden somit vermieden.
Weiterhin kommt hinzu, dass der erfindungsgemäße Stützkörper eine Vielzahl von schlitzartigen Ausnehmungen aufweist, sodass sich eine im Wesentlichen rippenartige Form des Stützkörpers ergibt. Insgesamt führt dies bei geeigneter Dimensionierung zu einer geringen Materialanhäufung am Übergang zwischen dem Grundkörper zu der Randleiste. Hierdurch werden nicht nur auftretende Spannungsspitzen vermieden, vielmehr wird auch die Möglichkeit einer effektiven Kühlung geschaffen. Diese ist insbesondere dadurch möglich, dass in der jeweiligen schlitzartigen Ausnehmung zumindest ein Kühlluftloch ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Bauteil eignet sich insbesondere bei der Verwendung von spröden Werkstoffen, welche hinsichtlich der Spannungsverteilung und der Material-Festigkeit hohe Anforderungen haben.
Erfindungsgemäß wird somit ein Übergang zwischen Bauteilen mit unterschiedlicher Dicke oder unterschiedlichem Volumen geschaffen, welcher die Herstellung des Bauteils mittels eines additiven Herstellverfahrens ermöglicht. Die einzelnen schlitzartigen Ausnehmungen können in geeigneter Weise geometrisch gestaltet werden. Gleiches gilt für die Implementierung der Kühlluftlöcher. Es versteht sich, dass die Breite der Ausnehmungen sowie die jeweilige verbleibende Breite des Bereichs des Stützkörpers zwischen den Ausnehmungen ebenso den Bauteilgeometrien angepasst werden kann, wie die Dimensionierung und Geometrie des Kühlluftlochs. Es ist auch möglich, mehrere Kühlluftlöcher in einer Ausnehmung vorzusehen.
Die zwischen den Ausnehmungen verbleibenden streifenförmigen Bereiche des Stützkörpers führen zu einer Reduzierung der Eigenspannungen entlang der Schindellängsseite beim additiven Aufbau der Schindel. Wie erwähnt, kann dadurch insbesondere bei spröden Materialien das Auftreten von Eigenspannungen vermieden werden. Die Gefahr der Rissbildung wird somit erheblich reduziert.
Da erfindungsgemäß in jeder der schlitzartigen Ausnehmungen zumindest ein Kühlluftloch vorgesehen ist, kann das erfindungsgemäße plattenförmige Bauteil hinsichtlich der Kühlung optimiert werden. Zusätzlich besteht durch das additive Herstellverfahren die Möglichkeit, die Kühllöcher über ihre Länge unterschiedlich zu gestalten, bspw. den Querschnitt zu verändern. All dies führt dazu, dass ein ausreichendes Kühlluftvolumen an die der Randleiste gegenüberliegende Rückseite des Grundkörpers des plattenförmigen Bauteils geleitet werden kann. Durch die Möglichkeit, die Kühllöcher in ihrer Längserstreckung variabel zu gestalten, sind auch bogenförmige oder gewendelte oder geschlängelte Formen von Kühlluftlöchern realisierbar. Dies führt zu einer effektiveren Kühlung.
In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung symmetrisch zur Mittelebene des Kühlluftlochs ausgebildet ist. Hierdurch ergeben sich gleichmäßige Spannungsverteilungen im Bereich der Ausnehmung und der angrenzenden Bereiche des Stützkörpers. Weiterhin wird die Zuleitung der Kühlluft in das Kühlluftloch optimiert.
Die schlitzartigen Ausnehmungen des Stützkörpers können in günstiger Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet sein, dass die Wandungen der Ausnehmung angrenzend an die Oberfläche des Grundkörpers beidseitig zunächst einen geradlinigen Wandverlauf aufweisen, welcher zur Ausbildung einer spitzbogenartigen Struktur im oberen Bereich der schlitzartigen Ausnehmung in einen abgerundeten Wandverlauf übergeht. Dabei ist es besonders günstig, wenn der abgerundete Wandverlauf einen Radius aufweist, welcher zwischen dem 1- bis 2-fachen der Breite der Ausnehmung beträgt. In besonders günstiger Weiterbildung ist vorgesehen, dass die abgerundeten Wandverläufe einen Winkel zwischen 45° und 120° bilden. Hierdurch wird die in der Seitenansicht spitzbogenartige Kontur der Ausnehmungen besonders wirkungsvoll realisiert.
Der Abstand benachbarter Ausnehmungen kann, in Längsrichtung der Randleiste, größer oder gleich der Hälfte der Breite der Ausnehmungen entsprechen. Somit sind alternierend längs der Randleiste im Wesentlichen gleichbreite Ausnehmungen und verbleibende fasenartige Bereiche des Stützkörpers vorgesehen.
Der Stützkörper selbst, welcher einen fasenartigen Übergang zwischen dem Grundkörper und der Randleiste bildet, kann hinsichtlich seiner Oberfläche einen Winkel zur Oberfläche des Grundkörpers zwischen 30 ° und 60 ° aufweisen. Ein Betrag von 45 ° ist dabei bevorzugt.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die Mittelachse des Kühlluftlochs rechtwinklig oder in einem Winkel zur Oberfläche des Grundkörpers anzuordnen. Hierdurch sind bevorzugte Kühleffekte insbesondere an thermisch stark beanspruchten Bereichen der Randleiste oder des Grundkörpers erzielbar.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische perspektivische Teilansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
2 eine perspektivische Seitenansicht gemäß 1, und
3 eine vereinfachte Draufsicht gemäß 1 oder 2.

Die 1 zeigt in perspektivischer Darstellung in einer Teilansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen plattenförmigen Bauteils, welches in Form einer Brennkammerschindel einer Gasturbine ausgestaltet ist. Das plattenförmige Bauteil weist einen Grundkörper 1 auf, welcher als ebene Platte ausgestaltet ist. Der Grundkörper 1 hat eine Oberfläche 6, welche einem Brennkammer-Innenraum eines Gasturbinentriebwerks abgewandt ist. Somit stellt die Oberfläche 6 die kalte Oberfläche des plattenförmigen Bauteils (Brennkammerschindel) dar.
In dem Grundkörper 1 sind eine Vielzahl von Effusionskühllöchern ausgebildet, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Der Grundkörper 1 weist eine Dicke d1 auf.
Am Randbereich des Grundkörpers 1 ist einstückig mit diesem eine Randleiste 2 ausgebildet, welche eine Dicke d2 hat. Die Dicke d1 wird von der Oberfläche 6 des Grundkörpers 1 zu dessen Rückseite gemessen. In gleicher Richtung wird die Dicke d2 der Randleiste 2 definiert.
Die Randleiste 2, welche einstückig mittels eines additiven Verfahrens mit dem Grundkörper 1 ausgebildet wird, ist über einen Stützkörper 3 abgestützt. Dieser weist, so wie sich dies aus der 2 ergibt, einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf. Über die Länge des Stützkörpers ist dieser mit einer Vielzahl von Ausnehmungen 4 versehen. Die zwischen den Ausnehmungen 4 verbleibenden Bereiche des Stützkörpers 3 sind somit leistenförmig oder streifenförmig ausgebildet.
In jeder Ausnehmung 4 ist zumindest ein Kühlluftloch 5 vorgesehen, welches sich von der Ausnehmung 4 aus zur Rückseite des Grundkörpers 1 erstreckt, analog den Effusionskühllöchern 10.
Die freie Fläche des Stützkörpers 3 weist zur Oberfläche 6 des Grundkörpers 1 einen Winkel β auf, welcher zwischen 30° und 60° betragen kann. Ein Wert von 45 ° ist bevorzugt.
Die 3 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß den 1 und 2. Dabei ist ersichtlich, dass die Ausnehmung 4 eine Breite l3 aufweist. Die Seitenwandungen der Ausnehmung 4, welche in 3 als l1 und l2 bezeichnet sind, weisen jeweils einen geradlinigen Wandverlauf 7 auf und gehen in einen abgerundeten Wandverlauf 8 über, dessen Radius jeweils mit r1 und r2 in 3 verdeutlicht ist. Die beiden abgerundeten Wandverläufe 8 treffen sich in einem Winkel α. Dieser kann zwischen 45 ° und 120 ° betragen.
Die Länge der geradlinigen Wandverläufe 7 (l1 bzw. l2) ist bevorzugterweise gleich und ≥ 0 mm. Die Radien r1 und r2 sind ebenfalls gleich und betragen das 1- bis 2-fache der Breite l3 der Ausnehmung 4.
Sowohl die geradlinigen Wandverläufe 7 mit den Längen l1 und l2 als auch die abgerundeten Wandverläufe 8 mit den Radien r1 und r2 sind nicht zwingend für die Erfindung notwendig, es können auch andere Wandverläufe realisiert werden, um die Ausnehmung 4 auszubilden. Sowohl die Längen l1 und l2 als auch die Radien r1 und r2 können voneinander in den angegebenen Intervallen abweichen. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Ausnehmung 4 symmetrisch zu einer Mittelebene des Kühlluftlochs 5 angeordnet ist.
Die 3 zeigt die Positionierung des Kühlluftlochs 6 mit dessen Mittelachse 9. Somit ergibt sich, dass der Aufbau der Ausnehmungen 4 und der zugeordneten Kühlluftlöcher 5 im Wesentlichen symmetrisch ist. Die Ausnehmungen 4 bilden somit eine Unterstützungsstruktur, welche durch zwei abgerundete oder bogenförmige Wandbereiche definiert wird, zwischen denen die einzelnen Kühlluftlöcher 5 angeordnet sind.
Die Fertigung des erfindungsgemäßen Bauteils durch ein additives Verfahren erfolgt üblicherweise mit vertikaler Ausrichtung des Grundkörpers 1. Sofern dieser an allen Seiten mit einer Randleiste versehen ist, wird zunächst eine Randleiste mit der Dicke d2 aufgebaut. Der Übergang zum Grundkörper 1 mit einer Dicke d1 erfolgt kontinuierlich durch den jeweiligen Stützkörper 3, welcher mit den Ausnehmungen 4 versehen wird.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Bauteil an allen seinen Rändern mit einer Randleiste 2 versehen sein kann. Weiterhin ist erfindungsgemäß der plattenförmige Grundkörper 1 nicht auf eine ebene Platte beschränkt, er kann auch gekrümmt oder doppelt gekrümmt ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper
2: Randleiste
3: Stützkörper
4: Ausnehmung
5: Kühlluftloch
6: Oberfläche
7: geradliniger Verlauf
8: abgerundeter Verlauf
9: Mittelachse
10: Effusionskühlloch
d1: Dicke des Grundkörpers
d2: Dicke der Randleiste

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015069466 A1 [0004]
EP 2873921 A1 [0004]

Claims

Plattenförmiges Bauteil einer Gasturbine mit einem Grundkörper (1), welcher an zumindest einem Randbereich einstückig mit einer im Wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche des Grundkörpers (1) ausgebildeten Randleiste (2) versehen ist, wobei der Grundkörper (1) eine unterschiedliche Dicke (d1) aufweist, als die Randleiste (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Randleiste (2) und dem Grundkörper (1) ein einstückig mit dem Grundkörper (1) und der Randleiste (2) verbundener, mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt versehener Stützkörper (3) angeordnet ist, welcher mit mehreren schlitzartigen Ausnehmungen (4) versehen ist, in welchen jeweils ein den Grundkörper durchdringendes Kühlluftloch (5) angeordnet ist.
Plattenförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4) symmetrisch zur Mittelebene des Kühlluftlochs (5) ausgebildet ist.
Plattenförmiges Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4) angrenzend an die Oberfläche (6) des Grundkörpers (1) beidseitig einen geradlinigen Wandverlauf (7) aufweist, welcher zur Ausbildung einer spitzbogenartigen Struktur in einen abgerundeten Wandverlauf (8) übergeht.
Plattenförmiges Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) benachbarter Ausnehmungen (4) in Längsrichtung der Randleiste (2) a ≥ l3 × 0,5 beträgt, wobei l3 die Breite der Ausnehmung (4) ist.
Plattenförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der abgerundete Wandverlauf (8) einen Radius (r1, r2) aufweist, welcher zwischen der 1- bis 2-fachen Breite (l3) der Ausnehmung (4) beträgt.
Plattenförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Wandverläufe (8) einen Winkel (α) zwischen 45 ° und 120 ° bilden.
Plattenförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (3) zur Oberfläche (6) des Grundkörpers (1) einen Winkel (β) zwischen 30 ° und 60 °, bevorzugt 45 ° aufweist.
Plattenförmiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (9) des Kühlluftlochs (5) rechtwinklig oder in einem Winkel zur Oberfläche (6) des Grundkörpers (1) ausgebildet ist.