DE102020133998A1

DE102020133998A1 - Schaufelbauteil, Verfahren zu dessen Herstellung und Gasturbine

Info

Publication number: DE102020133998A1
Application number: DE102020133998.4A
Authority: DE
Inventors: Erik Janke; Thomas SCHIESSL; Ingolf Langer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-23
Also published as: WO2022128354A1; US20240026790A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaufelbauteil (50), einer Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Gasturbinentriebwerks (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelbauteil (50) mindestens zwei Bauelemente (51, 52) aufweist, die mittels eines Verbindungsverfahrens, insbesondere einer Sinterung, miteinander verbindbar sind und die mindestens eine Verbindungsfläche (60) der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) auf einer Fläche (70) liegen, wobei insbesondere der Normalenvektor (N) mindestens für einen Teil der Fläche (70) eine Komponente senkrecht zur radialen Ausrichtung (R) des Schaufelbauteils (50) aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelbauteils und eine Gasturbine mit einem Schaufelbauteil.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Schaufelbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Schaufeln in Gasturbinen, wie z.B. Gasturbinentriebwerken, sind komplex geformte Bauteile, deren Herstellung einen hohen Aufwand erfordert. Auch sind die Schaufeln im Betrieb insbesondere hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, so dass die Schaufeln häufig Kühlvorrichtungen im Inneren aufweisen. Aus der US 2009 /0081032 A1 ist eine solche Schaufel in Verbundbauweise bekannt. Aus der US 2013 / 0052074 A1 ist ein Gasturbinenbauteil bekannt, das durch Metallpulverspritzguss (MIM metal injection moulding) herstellbar ist.
Es besteht die Aufgabe, Schaufelbauteile bereitzustellen, die effizient herstellbar sind und die insbesondere in einfacher Weise kühlbar sind.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein solches Schaufelbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.
Das Schaufelbauteil ist für den Einsatz in einer Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Gasturbinentriebwerks in einem Flugzeug eingerichtet.
Dabei weist das Schaufelbauteil mindestens zwei Bauelemente auf, die mittels eines Verbindungsverfahrens, insbesondere einer Sinterung, miteinander verbindbar sind, wobei mindestens eine Verbindungsfläche der mindestens zwei Bauelemente auf einer Fläche liegt, deren Normalenvektor mindestens für einen Teil der Fläche eine Komponente zur radialen Ausrichtung des Schaufelbauteils aufweist.
Die mindestens zwei Bauelemente können somit dazu verwendet werden ein Schaufelbauteil zu bilden, wobei sich die Bauelemente an einer oder mehreren Stellen - der Verbindungsfläche - berühren. Die Verbindungsfläche kann somit eine in sich geschlossene Fläche sein oder aber aus zwei oder mehreren Teilen bestehen, d.h. die Bauelemente berühren sich dann nicht vollflächig.
Dabei liegen insbesondere die eine Verbindungsfläche oder die mehreren Verbindungsflächen auf einer Fläche im Raum, die eine bestimmte Orientierung aufweist. Diese Fläche ist mindestens teilweise so orientiert, dass der jeweilige Normalenvektor in einer Fläche liegt, die senkrecht zur radialen Ausrichtung des Schaufelbauteils orientiert ist.
Ein Beispiel für eine solche Fläche ist z.B. eine Ebene, die in radialer Richtung angeordnet ist, d.h., sie schneidet das Schaufelbauteil senkrecht von oben nach unten. Jeder Normalenvektor dieser Ebene liegt somit in einer Ebene, die senkrecht zur radialen Ausrichtung des Schaufelbauteils orientiert ist.
Wenn die Fläche eine Ebene ist, die unter einer gewissen Neigung zur radialen Richtung des Schaufelbauteils schneidet, dann hat jeder Normalenvektor dieser Ebene zumindest eine Komponente, die senkrecht zur radialen Ausrichtung des Schaufelbauteils angeordnet ist.
Im allgemeineren Fall wird die Fläche, in der die Verbindungsfläche liegt, eine gekrümmte Fläche sein. Dabei kann es eine regelmäßig gekrümmte Fläche sein, wie z.B. eine parabolisch geformte Fläche, die eine Krümmungsachse aufweist. Es kann aber auch eine Freiformfläche sein, die z.B. gewellt ist oder vielen Bereichen eine unterschiedliche Krümmung aufweist.
Da die Form der Fläche - und damit die Anordnung der Verbindungsfläche (einteilig oder mehrteilig) im Raum - in weitem Rahmen frei wählbar ist, kann das Schaufelbauteil aus Bauelementen zusammengesetzt werden, deren Form optimiert wurde. Die Fläche kann z.B. durch die Skelettlinien des Schaufelbauteils gehen. Die Skelettlinie ist die Verbindungslinie der in das Profil des Schaufelbauteils einbeschriebenen Kreismittelpunkte in einer Ebene.
In einer Ausführungsform ist im Inneren des Schaufelbauteils mindestens ein Kühlkanal angeordnet, der von einem Kühlmedium, wie z.B. Luft, durchströmbar ist. Da Schaufeln gerade im Hochdruckbereich von Turbinen thermisch hochbelastet werden, ist gerade hier eine Kühlung von großer Bedeutung. Die Form des Kühlkanals - und damit auch die Wirkung der Kühlung - kann durch die mögliche flexible Formgebung der Bauelemente in weitem Rahmen gestaltet werden. So können die Bauelemente so geformt sein, dass sich im Zusammenbau der Kühlkanal bildet.
Auch ist es möglich, dass die mindestens zwei Bauelemente als Grünteile eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet sind. Die Grünteile können mit entsprechender Formgebung ausgelegt und hergestellt werden, durch eine Sinterung werden diese dann zu den Schaufelbauteilen verbunden.
Dabei können die mindestens zwei Bauelemente, insbesondere die mindestens zwei Grünteile, aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Damit kann man durch die Wahl der Materialien mechanische und / oder thermische Beanspruchungen berücksichtigen. So könnte z.B. das Bauelement, das den Staupunkt des Schaufelbauteils umfasst, aus einem anderen metallischen Werkstoff aufgebaut sein als das Bauteil, das die Hinterkante des Schaufelbauteils umfasst.
Aber es geht hier nicht nur um die Schaufelbauteile an sich, sondern gerade auch um die Integration von Schaufelbauteilen zu einem Schaufelring innerhalb der Gasturbine. So können die Schaufelbauteile als Grünteile mit einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil, das als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet ist, insbesondere durch eine Sinterung zu einer Verdichter- oder Turbinenstufe verbindbar sein. Damit wird ermöglicht, dass das Ringbauteil oder das Scheibenbauteil mit einem anderen Verfahren (z.B. 2D-Herstellung, Fügung durch Sintern, Reib- oder Induktionsschweißen) hergestellt werden kann als die komplex geformten Schaufelbauteile. Nach der Sinterung liegt eine Blisk, d.h. eine einstückige Stufe mit einem Scheiben- oder Ringkörper und damit verbundenen Schaufeln, vor.
In einer Ausführungsform umfasst eines der mindestens zwei Bauelemente die Saugseite oder die Druckseite des Schaufelbauteils. Die Verbindungsfläche (einteilig oder mehrteilig) wird in diesem Fall im Wesentlichen eine radiale Erstreckung aufweisen.
Aufgrund des Aufbaus des Schaufelbauteils ist es effizient, eine Kühlluftöffnung einzubringen die sich insbesondere im Zusammenbau der mindestens zwei Bauelemente ausbildet. Damit können die Kühlöffnungen bereits bei der Herstellung vorgesehen sein und müssen nicht nachträglich, z.B. durch Bohren, eingebracht werden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Dabei können die mindestens zwei Bauelemente mit einem Ringbauteil als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahrens oder mit einem Scheibenbauteil als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahren verbunden, insbesondere gesintert werden.
Ferner wird die Aufgabe auch durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Dabei kann sie als stationäre Gasturbine, als Gasturbine für ein Schiff oder als Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Verfahren im Rahmen eines Metallpulverspritzgussverfahrens hergestellt werden. So kann das Schaufelbauteil und / oder mindestens eines der Bauelemente auch mittels eines verlorenen Kerns im Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt werden. Damit können komplexe Formen des Schaufelbauteils oder der Bauelemente hergestellt werden, insbesondere im Bereich des Fußes.
Es zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines Schaufelbauteils mit zwei Bauelementen;
2A eine schematische Seitenansicht mit einer senkrechten Anordnung der Verbindungsfläche von zwei Bauelementen;
2B eine schematische Seitenansicht mit einer schrägen Anordnung der Verbindungsfläche von zwei Bauteilen;
3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform eines Schaufelbauteils mit zwei Bauelementen und Kühlkanälen;
4 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform eines Schaufelbauteils mit zwei Bauelementen und Kühlkanälen;
5 eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform eines Schaufelbauteils mit zwei Bauelementen und Kühlkanälen;
6 eine Schnittansicht durch zwei Schaufelbauteile mit Kühlkanälen auf einem Ring- oder Scheibenbauteil;
7 eine Schnittansicht durch ein Schaufelbauteil und ein Scheibenbauteil;
8 eine axiale Ansicht zweier Schaufelbauteile jeweils mit einem Kühlkanal auf einem Ringbauteil;
9 eine Schnittansicht durch ein Schaufelbauteil und ein Scheibenbauteil.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und einen Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder, die durch einen Planetenträger miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger führt die Planetenräder so, dass sie synchron um das Sonnenrad kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger ist über Gestänge mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad, das über Gestänge mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h., dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und / oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h., dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Die Verdichter 14, 15 und die Turbinen 17, 19 weisen in der dargestellten Ausführungsform jeweils mindestens eine Stufe auf, in der Schaufeln dazu dienen, Strömungsenergie in eine rotatorische Bewegung umzuwandeln.
Im Folgenden werden Ausführungsformen für Schaufelbauteile 50 für eine Herstellung der Schaufeln beschrieben, die nach dem Ende der Herstellung in dieser Weise in einem Axialverdichter oder einer Axialturbine eingesetzt werden können.
Dabei werden hier Schaufelbauteile 50 beschrieben, die insbesondere in Gasturbinentriebwerken 10 für Flugzeuge einsetzbar sind. Die Anwendung der Schaufelbauteile 50 ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Auch in anderen Fahrzeugen oder Schiffen können Gasturbinen mit dermaßen hergestellten Schaufeln in den Turbinen- und / oder Verdichterstufen verwendet werden. Auch können derartige Schaufeln in stationären Gasturbinen, z.B. bei der Energieumwandlung, eingesetzt werden.
In 2 ist eine Schnittansicht durch ein Schaufelbauteil 50 dargestellt, das zur Herstellung einer der oben erwähnten Schaufeln verwendet wird. Die axiale Schnittebene der Ansicht liegt senkrecht zur radialen Richtung R des Gasturbinentriebwerks 10
Nach der Herstellung der Schaufel unter Verwendung des Schaufelbauteils 50 wird diese axial von links angeströmt (Strömungsrichtung F), so dass an der Oberseite der Schaufel die Saugseite S und an der Unterseite die Druckseite P liegen wird
Das Schaufelbauteil 50 kann dabei grundsätzlich Teil einer Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine sein. Das Schaufelbauteil 50 kann insbesondere nur die Schaufel selbst umfassen oder aber Teil eines größeren Bauteiles, z.B. einer Blisk sein.
Die hier dargestellte Ausführungsform des Schaufelbauteils 50 ist aus zwei Bauelementen 51, 52 zusammengesetzt, die jeweils als Vollkörper ausgebildet sind. Das erste Bauelement 51 umfasst außen die Saugseite S, das zweite Bauelement 52 umfasst außen die Druckseite P.
Wenn die Schaufel im Rahmen eines Metallpulverspritzgussverfahrens hergestellt wird, sind die beiden Bauelemente 51, 52 als Grünteile ausgebildet, die sich an einer Verbindungsfläche 60 berühren, d.h. die Verbindungsfläche 60 liegt im Inneren des zusammengefügten Schaufelbauteils 50. Wie in weiteren Ausführungsformen (z.B. 3) deutlich werden wird, kann die Verbindungsfläche 60 auch in mehrere Teile zerfallen.
In der dargestellten Ausführungsform liegt die eine Verbindungsfläche 60 auf einer im Raum gekrümmten Fläche 70. Hier weist die Fläche 70 nur eine Krümmung auf (d.h. sie ist in radialer Richtung R konstant), wobei der Normalenvektor N der Fläche 70 senkrecht zur radialen Ausrichtung R des Schaufelbauteils 50 orientiert ist. Die radiale Ausrichtung R bezieht sich dabei auf die Ausrichtung, die die Schaufel im Zusammenbau in der Gasturbine hat.
Dies bedeutet, dass in dieser Ausführungsform der Normalenvektor N der Fläche 70 in der Schnittebene der 2 liegt. Die Krümmungsachse K der Fläche 70, die sich in radialer Richtung R erstreckt, liegt dabei auf der Druckseite P. In jedem Punkt der Fläche 70 hat diese in der dargestellten Ausführungsform nur eine Krümmung.
Es ist aber nicht notwendig, dass der Normalenvektor N der Fläche 70 vollständig in einer Ebene liegt, die senkrecht zur radialen Richtung R liegt. Dies wird in den 2A und 2B erläutert. In der 2a ist ein Schaufelbauelement 50 in einer Seitenansicht dargestellt, wobei es sich von einer Basis entlang der radialen Richtung R nach außen erstreckt. Die Fläche 70, in der die Verbindungsfläche 60 (einteilig oder mehrteilig) liegt, ist hier als eine Fläche ausgebildet, die das Schaufelbauteil 50 senkrecht teilt. Alle Normalenvektoren N (hier drei eingezeichnet) stehen senkrecht zur radialen Erstreckung R. Dies entspricht grundsätzlich der Anordnung, die in 2 dargestellt ist.
In der 2B ist das gleiche Schaufelbauteil 50 dargestellt wie in 2A. Auch hier ist die Fläche 70 als Ebene ausgebildet, die aber das Schaufelbauteil 50 unter einem Winkel schneidet. Damit steht der Normalenvektor N auch unter einem Winkel. Aber eine Komponente N_R steht auch hier senkrecht zur radialen Erstreckung.
In anderen Ausführungsformen kann die Fläche 70, auf der die Verbindungsfläche 60 (oder deren Teile) liegt, komplexer sein. So kann die Fläche 70 sich als eine Freiformfläche im Raum erstrecken, wobei diese an einem Punkt zwei Krümmungen in unterschiedliche Raumrichtungen aufweisen kann, so dass das Schaufelbauteil 50 aus sehr komplex geformten Bauelementen 51, 52 ausgebildet sein kann. In jedem Fall ist aber der Normalenvektor N (oder zumindest eine Komponenten N_R) auch in diesem Fall mindestens für einen Teil der Fläche 70 senkrecht zur radialen Ausrichtung R des Schaufelbauteils 50 orientiert.
Ein dermaßen aus Grünteilen 51, 52 zusammengesetztes Schaufelbauteil 50 wird durch ein Verbindungsverfahren - hier einer Sinterung im Rahmen eines Metallpulverspritzgussverfahrens - verbunden.
In der 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Schaufelbauteils 50 dargestellt, die äußerlich ähnlich zu der Ausführungsform gemäß 2 geformt ist. Die Ausführungen zur 2 sind daher sinngemäß auch auf diese Ausführungsform anwendbar.
Allerdings sind im Inneren drei Kühlkanäle 65 angeordnet, durch die im Betrieb Kühlluft fließen kann. Damit ist der innere Aufbau des Schaufelbauteils 50 komplexer als bei der Ausführungsform gemäß 2.
Das erste Bauelement 51 umfasst die Saugseite S und bildet einen äußeren Rand des Schaufelbauteils 50. Die Innenseite des ersten Bauelementes 51 ist hier im Wesentlichen glatt ausgebildet.
Das zweite Bauelement 51 umfasst die Druckseite P des Schaufelbauteils 50 und zwei innere Wandungen, die die Kühlkanäle 65 im Inneren des Schaufelbauteils 50 begrenzen.
Anstelle von einer geschlossenen Verbindungsfläche 60 - wie bei der Ausführungsform gemäß 2 - ist die Verbindungsfläche 60 hier in vier Teilbereiche 60a, 60b, 60c, 60d zerlegt. Die Fläche 70, auf der die vier Teilbereiche 60a, 60b, 60c, 60d liegen, ist entsprechend komplexer geformt. So ändert sich die Krümmung der Fläche 70 vom ersten Teilbereich 60a der Verbindungsfläche zum zweiten Teilbereich 60b, um dann im Übergang zum dritten Teilbereich 60c wiederum die Krümmungsrichtung zu ändern. Wie bei der Ausführungsform gemäß der 2 ist hier auch der Normalenvektor N (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur einer dargestellt) der Fläche 70 senkrecht zur radialen Richtung R angeordnet.
Da die beiden Bauelemente 51, 52 getrennt als Grünteile vorliegen, um dann zusammen gesintert zu werden, können die Bauelemente 51, 52 selbst einfach hergestellt werden, selbst wenn sie an sich komplexe Formen aufweisen. Hinzu kommt, dass sich auf diese Weise leicht die Kühlkanäle 65 im Zusammenbau bilden lassen. Die räumliche Lage der Kühlkanäle 65 im Inneren der Schaufelbauteile wird im Zusammenhang mit den 8 und 9 noch näher dargestellt.
Des Weiteren sind in der Ausführungsform gemäß 3 auch Kühlluftöffnungen 57 vorgesehen, die bei der Herstellung der Grünteile mit angelegt sein können. Damit wird ein nachträgliches Einbringen in das fertige Bauteil vermieden.
Die dritte Ausführungsform gemäß 4 ist eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform, so dass Bezug auf die entsprechende Beschreibung genommen werden kann.
Hier umfasst das zweite Bauelement 52 die Druckseite P, während das erste Bauelement 51 die Saugseite S und die Innenwandungen zur Bildung der internen Kompartimente für die Kühlkanäle umfasst. Im Zusammenbau der beiden Bauelemente 51, 52 ergibt sich die gleiche Form, wie bei der zweiten Ausführungsform.
Die Fläche 70, auf der die vier Teilbereich 60a, 60b, 60c, 60d der Verbindungsfläche liegen, weist zwei Wendepunkte auf. Allerdings ist auch hier die Krümmung der Fläche in radialer Richtung R konstant.
In dieser Ausführungsform liegen die Kühlluftöffnungen 57 mindestens teilweise in der Fläche 70. Dies bedeutet, dass jedes der Bauelemente 51, 52 einen Teil der Kühlluftöffnungen 57 aufweist, wobei sich im Zusammenbau der Bauelemente 51, 52 die vollständige Kühlluftöffnung 57 ergibt.
Die vierte Ausführungsform - dargestellt in 5 - weist eine ähnliche Form der Fläche 70 für die Verbindungsflächen 60a, 60b, 60c, 60d auf wie die erste Ausführungsform, d.h. die Fläche 70 weist nur eine Krümmung auf, die über die radiale Richtung R auch konstant ist. Wie bei den anderen Ausführungsformen liegt der Normalenvektor N der Fläche senkrecht zur radialen Richtung R.
Die vierte Ausführungsform des Schaufelbauteils 50 weist drei Kühlkanäle 65 auf, die aber in etwa zu gleichen Teilen von den inneren Wandungen der Bauelemente 51, 52 gebildet werden.
Auch hier sind zwei Kühlluftöffnungen 57 vorgesehen.
Die vier bisher dargestellten Ausführungsformen weisen jeweils zwei Bauelemente 51, 52 auf. Grundsätzlich ist es möglich, auch mehr als zwei Bauelemente 51, 52 zur Bildung eines Schaufelbauteils 50 zu verwenden. Damit können besonders komplex geformte Bauelemente 51, 52 mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden, bevor sie dann durch Sintern miteinander verbunden werden. Auch ist es möglich (analog z.B. zu 2B), dass die Fläche 70 gegenüber der radialen Erstreckung R geneigt ist.
Die Grünteile der Bauelemente 51, 52 können aus den gleichen Materialien ausgebildet sein. Allerdings ist es auch möglich, die Grünteile der Bauelemente 51, 52 aus unterschiedlichen Materialien zu bilden.
Da die Schaufeln im Betrieb an unterschiedlichen Stellen mechanisch und / oder thermisch unterschiedlich belastet werden, können an den Stellen hoher Belastungen Bauelemente 51, 52 aus anderen Materialien verwendet werden, als an den Stellen, die nicht so belastet werden. Damit kann in einem Metallpulverspritzgussverfahren eine belastungsgerechte Ausgestaltung verwirklicht werden.
Bei der Herstellung der Ausführungsformen des Schaufelbauteils 50 wurde bisher nur die Herstellung der Schaufel selbst aus zwei Bauelementen 51, 52 beschrieben.
Es ist aber auch möglich, dass das Schaufelbauteil 50 mit einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil 55, das als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet ist, insbesondere durch eine Sinterung, zu einer Verdichter- oder Turbinenstufe zu verbinden.
Damit können Verdichter- oder Turbinenstufen aus einzelnen Grünteilen zusammengesetzt werden, die individuell geformt werden können. So ist der Grundaufbau des Scheibenbauteils 55 in der Regel einfacher als die komplex gekrümmten Schaufeln, die zudem noch einen komplex geformten inneren Aufbau mit Kühlkanälen 65 aufweisen können. Somit kann jedes der Teile 51, 52, 55 wirtschaftlich gefertigt werden, um dann in einer Sinterung ein einheitliches Teil zu ergeben, eine Blisk.
In der 6 ist eine Schnittansicht durch zwei Schaufelbauteile 50 dargestellt, wobei die Schnittfläche senkrecht zur radialen Richtung R angeordnet ist. Die Schaufelbauteile weisen dabei jeweils Kühlkanäle 65 auf, wie in den Ausführungsformen gemäß 3 bis 5.
Die Fläche 70, die die beiden Bauelemente 51, 52 trennt, ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Grundsätzlich kann jede bisher beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
Die beiden Schaufelbauteile 50 sind auf einem Ringbauteil oder Scheibenbauteil 55 angeordnet, mit dem sie - wie oben beschrieben - gemeinsam gesintert werden können. Dies ist z.B. in 7 in einer Schnittansicht mit einer radialen Schnittebene dargestellt.
Am äußeren Umfang ist eine Schaufel angeordnet, die über eine Verbindungsfläche 66 mit dem Scheibenbauteil 55 verbunden ist. Nach dem Sintern liegt eine einstückige Turbinenstufe oder eine einheitliche Verdichterstufe vor. Wie oben erwähnt, kann aber die einstückige Stufe an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Materialien aufweisen, um somit gezielt Belastungen entgegenzuwirken.
In der 8 sind zwei Schaufelbauteile 50 in einer Seitenansicht dargestellt. Die radiale Richtung R zeigt hier nach oben.
Als durchbrochene Linien ist dabei jeweils ein Kühlkanal 65 in den Schaufelbauteilen dargestellt. Die Kühlluft tritt dabei am unteren Ende, d.h. am Scheibenbauteil 55 ein und tritt durch Öffnungen an den distalen Enden der Schaufelbauteile 50 wieder aus. Die Kühlkanäle 65 durchziehen die Schaufelbauteile 50 mit zwei Windungen. Wenn man diese Ausführungsform entsprechend den Darstellungen der 2 bis 5 schneidet, so erkennt man drei getrennte Kühlkanäle 65, die aber von einem Kühlluftstrom durchströmbar sind. Die 9 zeigt die Anordnung der 8 in einer axialen Ansicht.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
30: Getriebe, Planetengetriebe
A: core airflow
B: bypass airflow
50: Schaufelbauteil
51: erstes Bauelement des Schaufelbauteils
52: zweites Bauelement des Schaufelbauteils
55: Ringbauteil, Scheibenbauteil
57: Kühlluftöffnung
60: Verbindungsfläche
60a: Teil der Verbindungsfläche
60b: Teil der Verbindungsfläche
60c: Teil der Verbindungsfläche
60d: Teil der Verbindungsfläche
65: Kühlkanal
66: Verbindungsfläche Schaufelbauteil / Scheibenbauteil
70: Fläche im Raum
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
D: Druckseite des Schaufelbauteils
F: Anströmungsrichtung
K: Krümmungsachse
N: Normalenvektor der Fläche im Raum
NR: radiale Komponente des Normalenvektors
R: Orientierung des Normalenvektors der Fläche
S: Saugseite des Schaufelbauteils

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

US 2009/0081032 A1 [0002]
US 2013/0052074 A1 [0002]

Claims

Schaufelbauteil (50) einer Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Gasturbinentriebwerks (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelbauteil (50) mindestens zwei Bauelemente (51, 52) aufweist, die mittels eines Verbindungsverfahrens, insbesondere einer Sinterung, miteinander verbindbar sind und die mindestens eine Verbindungsfläche (60) der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) auf einer Fläche (70) liegt wobei insbesondere der Normalenvektor (N) mindestens für einen Teil der Fläche (70) eine Komponente (N_R) senkrecht zur radialen Ausrichtung (R) des Schaufelbauteils (50) aufweist.
Schaufelbauteil (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (70) eine Krümmungsachse (K) aufweist, die sich in radialer Richtung (R) erstreckt, die Fläche (70) als Ebene ausgebildet ist oder die Fläche (70) durch die Skelettlinien des Schaufelbauteils (50) verläuft.
Schaufelbauteil (50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren mindestens ein Kühlkanal (65) angeordnet ist.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52) als Grünteile eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet sind.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52), insbesondere die mindestens zwei Grünteile, aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
Schaufelbauteil (50) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil (55), das als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet ist, insbesondere durch eine Sinterung zu einer Verdichter- oder Turbinenstufe verbindbar sind.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) die Saugseite (S) oder die Druckseite (D) des Schaufelbauteils (50) umfasst.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Kühluftöffnung (57), die sich insbesondere im Zusammenbau der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) ausbildet.
Verfahren zur Herstellung eines Schaufelbauteils (50), dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens zwei Bauelemente (51, 52) und ein Scheibenbauteil (60) bereitgestellt werden, die b) mittels eines Verbindungsverfahrens, insbesondere einer Sinterung, verbunden werden, wobei die Verbindungsflächen (60) zwischen den mindestens zwei Bauelementen (51, 52) auf einer Fläche (70) liegen, wobei insbesondere der Normalenvektor mindestens an einem Teil der Fläche (70) eine Komponente (N_R) senkrecht zur radialen Ausrichtung (R) des Schaufelbauteils aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52) mit einem Ringbauteil als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahrens oder mit einem Scheibenbauteil (55) als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahren verbunden, insbesondere gesintert, werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Sinterung eine Sinterpasste verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelbauteil (50) und / oder mindestens eines der Bauelemente (51, 52) mittels eines verlorenen Kerns im Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt wird.
Gasturbine, insbesondere Gasturbinentriebwerk (10), mit mindestens einem Schaufelbauteil (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Gasturbine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie als stationäres Gasturbine, als Gasturbine für ein Schiff oder als Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug ausgebildet ist.