DE102020201448A1 - Additively manufactured turbine blade with anti-twist device and adjustment process - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Turbinenschaufel (10) angegeben, umfassend ein Schaufelblatt (17) und eine Fußplatte (13) mit einer Aufnahme (14) zur Lagerung der Schaufel (10) im Betrieb, beispielsweise in einer Strömungsmaschine (100), und einer Anschlagfläche (15, 15'), wobei die Aufnahme (14) und die Anschlagfläche (15, 15') angeordnet und ausgebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel (10), eine Verdrehsicherung derselben zu bewirken, wobei die Aufnahme (14) anströmseitig etwa mittig an der Fußplatte (13) angeordnet ist. Weiterhin werden eine Turbine, ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zur Ausrichtung Justage der Turbinenschaufel angegeben.A turbine blade (10) is specified, comprising a blade (17) and a base plate (13) with a receptacle (14) for mounting the blade (10) during operation, for example in a turbo-engine (100), and a stop surface (15) , 15 '), wherein the receptacle (14) and the stop surface (15, 15') are arranged and designed to prevent rotation of the turbine blade (10) during operation, the receptacle (14) on the inflow side approximately in the center of the Base plate (13) is arranged. Furthermore, a turbine, a method for the additive manufacture of the turbine blade and a method for aligning the adjustment of the turbine blade are specified.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, vorzugsweise eine Turbinenleitschaufel einer Gasturbine für die Energieerzeugung, sowie eine Turbine, in der die genannte Turbinenschaufel angewendet werden kann. Weiterhin wird ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zur Ausrichtung der Turbinenschaufel in einem Turbinenring angegeben.The present invention relates to a turbine blade, preferably a turbine guide vane of a gas turbine for generating energy, as well as a turbine in which said turbine blade can be used. Furthermore, a method for the additive manufacture of the turbine blade and a method for aligning the turbine blade in a turbine ring are specified.
In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationsenergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungskanal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wirkendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor antreibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Generators genutzt werden kann.In gas turbines, thermal energy and / or flow energy of a hot gas generated by the combustion of a fuel, e.g. a gas, is converted into kinetic energy (rotational energy) of a rotor. For this purpose, a flow channel is formed in the gas turbine, in the axial direction of which the rotor or a shaft is mounted. If a hot gas flows through the flow channel, a force is applied to the rotor blades, which is converted into a torque acting on the shaft, which drives the turbine rotor, whereby the rotational energy can be used, for example, to operate a generator.
Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter anderem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path. The metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being improved with regard to their strength at high temperatures (creep load, thermomechanical fatigue).
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.Due to its potential to disrupt industry, generative or additive manufacturing is also becoming increasingly interesting for the series production of the above-mentioned turbine components, such as turbine blades or burner components.
Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).Additive manufacturing processes include, for example, powder bed processes such as selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM). Further additive processes are, for example, "Directed Energy Deposition (DED)" processes, in particular laser deposition welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called "sheet lamination" processes, or thermal spray processes (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus
Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, wie Dichtelemente, Kühlstrukturen und/oder allgemein Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.Additive manufacturing processes have also proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, for example labyrinth-like structures such as sealing elements, cooling structures and / or generally lightweight structures. In particular, additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can largely take place on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.
Viele Gasturbinen verwenden für die Fixierung insbesondere der Turbinenleitschaufel der ersten Stufe(n) einen Stift oder ähnliche Mittel zur Fixierung der entsprechenden Komponente. Dieser Stift wird üblicherweise in einer Art Bohrung oder Durchgangsloch der Komponente eingeführt. Da dadurch allein noch keine Verdrehsicherung sichergestellt ist, sind weitere Merkmale zum Verhindern einer ungewollten Bewegung der Komponente in der Turbine erforderlich. Zur Fixierung können beispielsweise weitere Anschlagflächen vorgesehen werden.Many gas turbines use a pin or similar means for fixing the corresponding component for fixing, in particular the turbine guide vane of the first stage (s). This pin is usually inserted into a type of bore or through hole in the component. Since this alone does not ensure anti-rotation protection, further features are required to prevent undesired movement of the component in the turbine. For example, additional stop surfaces can be provided for fixing.
Während des Zusammenbaus muss die Komponente oder das Bauteil üblicherweise weiterhin, beispielsweise über eine integrierte Dichtfeder und/oder einen Dichtschlitz, zusammen mit einer Nachbarkomponente, wie einer weiteren Turbinen(leit)schaufel gehalten oder fixiert werden, oder mit einem weiteren Teil, wie einem Turbinen(leit)ring. Während des Betriebs der Turbinenschaufel, und demzufolge unter Belastung, wird die Komponente aufgrund der Verhältnisse von Druck und Temperatur an einem Schaufelblatt der Turbinenschaufel, ungewollt in eine Bewegung oder Rotation versetzt. Eine Rotation kann insbesondere um eine Axial- oder Fluidströmungsrichtung die Folge sein, wenn keine ausreichende Verdrehsicherung für die Turbinenschaufel eingerichtet ist. Insbesondere kann eine Rotation jeder einzelnen Turbinenschaufel weiterhin in Richtung der Saugseite erfolgen. Um diese Bewegung oder Kraft aufzufangen, kann eine Erhebung mit einer Anschlagfläche vorgesehen sein, über die eine Verdrehung der Turbinenschaufel gegen den entsprechenden Turbinenleitring verhindert werden soll.During assembly, the component or the component must usually continue to be held or fixed, for example via an integrated sealing spring and / or a sealing slot, together with a neighboring component, such as a further turbine (guide) vane, or with a further part, such as a turbine (lead) ring. During operation of the turbine blade, and consequently under load, the component is inadvertently set into motion or rotation due to the relationships between pressure and temperature on an airfoil of the turbine blade. A rotation can result, in particular, about an axial or fluid flow direction if the turbine blade is not adequately secured against rotation. In particular, each individual turbine blade can continue to rotate in the direction of the suction side. In order to absorb this movement or force, an elevation with a stop surface can be provided, by means of which a rotation of the turbine blade against the corresponding turbine guide ring is to be prevented.
Das beschriebene Problem tritt umso gravierender in Erscheinung, je größer die Toleranz und schwächer die Maßhaltigkeit in der Fertigung der Turbinenschaufel ist, und damit beispielsweise eine Abweichung der genannten Anschlagfläche von einer optimalen Position oder Wirkung. Wenn beispielsweise die Anschlagfläche nicht exakt positioniert ist oder an einem Gegenstück eines Leitringes anliegt, wird im Betrieb der Schaufel die gesamte Last zwangsläufig von den Dichtelementen, wie Dichtfeder und/oder Dichtschlitz aufgenommen. Das kann zu Dichtspaltverlusten des Arbeitsmediums der Turbine und/oder der Zerstörung der Dichtelemente an den Schaufeln führen.The problem described appears all the more serious the greater the tolerance and the weaker the dimensional accuracy in the manufacture of the turbine blade, and thus, for example, a deviation of the abovementioned stop surface from an optimal position or effect. If, for example, the stop surface is not positioned exactly or rests against a counterpart of a guide ring, the entire load is inevitably absorbed by the sealing elements, such as sealing spring and / or sealing slot, when the blade is in operation. This can lead to sealing gap losses in the working medium of the turbine and / or the destruction of the sealing elements on the blades.
Es muss also auf eine sehr hohe Maßhaltigkeit der Komponenten geachtet werden, was wiederum sehr hohe Kosten und Anforderungen an die Fertigung stellt. Bekannt sind die hohen Kosten von konventionellen Fertigungsverfahren hinsichtlich der involvierten Gusstechniken und der Bereitstellung der Gusswerkzeuge und die damit verbundene hohe Durchlaufzeit.Care must therefore be taken to ensure that the components are dimensionally accurate, which in turn places very high costs and demands on production. The high costs of conventional manufacturing processes with regard to the casting techniques involved and the provision of the casting tools and the associated high throughput time are known.
Weiterhin ist der Aufwand der Ausrichtung bzw. Justage der Turbinenleitschaufel in der Turbine bei konventionellen Fertigungsverfahren erheblich.Furthermore, the effort involved in aligning or adjusting the turbine guide vane in the turbine in conventional manufacturing processes is considerable.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lagerungsmethode für Turbinenschaufel-Komponenten, sowohl bei deren Einbau als auch im Betrieb einer Turbine und entsprechende Mittel bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide an improved mounting method for turbine blade components, both during their installation and during the operation of a turbine, and to provide corresponding means.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, umfassend ein Schaufelblatt und eine Fußplatte mit einer Aufnahme oder Aufhängung zur Lagerung oder Fixierung der Schaufel im Betrieb, beispielsweise in einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine für die Energieerzeugung.One aspect of the present invention relates to a turbine blade, comprising a blade and a base plate with a receptacle or suspension for mounting or fixing the blade during operation, for example in a turbo machine such as a gas turbine for generating energy.
Die Fußplatte weist weiterhin eine Anschlagfläche auf, wobei die Aufnahme und die Anschlagfläche angeordnet und ausgebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel, eine Verdrehsicherung der Turbinenschaufel zu bewirken, wobei die Aufnahme anströmseitig etwa mittig an bzw. in der Fußplatte angeordnet ist.The base plate furthermore has a stop surface, the receptacle and the stop surface being arranged and designed to provide anti-twist protection for the turbine blade during operation of the turbine blade, the receptacle being arranged approximately centrally on or in the base plate on the inflow side.
Der Ausdruck „mittig“ bezeichnet vorzugsweise eine mittige Anordnung der Aufnahme entlang einer Tangentialrichtung bzw. Umfangsrichtung des Schaufelkranzes bzw. der Stufe, dem die Turbinenschaufel in ihrem Betrieb zugeordnet ist.The term “central” preferably denotes a central arrangement of the receptacle along a tangential direction or circumferential direction of the blade ring or the step to which the turbine blade is assigned in its operation.
Das Schaufelblatt der Turbinenschaufel weist zweckmäßigerweise eine Anströmkante und eine Abströmkante, und vorzugsweise eine sogenannte Saug- und eine Druckseite auf.The blade of the turbine blade expediently has a leading edge and a trailing edge, and preferably a so-called suction side and a pressure side.
Die Fußplatte bezeichnet vorliegend vorzugsweise ein Deckband, einen Kragen oder einen Schaufelfuß. Zweckmäßigerweise ist die Turbinenschaufel in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb an einen Rotor- oder Statorring, wie einen Turbinenleitring befestigt oder an diesen gekoppelt.In the present case, the footplate preferably denotes a shroud, a collar or a blade root. The turbine blade is expediently attached or coupled to a rotor or stator ring, such as a turbine guide ring, in its intended operation.
Wie die beschriebene Aufnahme ist vorzugsweise auch die Anschlagfläche anströmseitig arrangiert, d.h. an einer Anströmseite der Turbinenschaufel bzw. einer Seite, dem die Anströmkante der Turbinenschaufel zugewandt ist, angeordnet.Like the described receptacle, the stop surface is also preferably arranged on the inflow side, i.e. on an inflow side of the turbine blade or on a side towards which the inflow edge of the turbine blade faces.
Vorteilhafterweise kann durch die vorgestellte Turbinenschaufel auf eine Änderung oder Anpassung einer die Turbinenschaufel tragenden Komponente, wie beispielsweise eines Turbinenlauf- oder Turbinenleitring, verzichtet werden. Mit anderen Worten können die neuartigen vorgestellten Schaufeln, ohne geometrische Anpassung in bestehende „Hardware“ integriert werden.Advantageously, the presented turbine blade makes it possible to dispense with changing or adapting a component that carries the turbine blade, such as a turbine running ring or turbine guide ring, for example. In other words, the new blades presented can be integrated into existing “hardware” without any geometrical adjustment.
Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Lagerungsvariante den Vorteil, dass andere Dichtkonzepte, beispielsweise ohne Änderung der Geometrie eines Turbinenleitrings, für die beschriebenen Komponenten/Schaufeln genutzt werden können.Furthermore, the mounting variant according to the invention offers the advantage that other sealing concepts, for example without changing the geometry of a turbine guide ring, can be used for the components / blades described.
In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel eine Turbinenleitschaufel, insbesondere für eine thermische und/oder stationäre Strömungsmaschine für die Energieerzeugung.In one embodiment, the turbine blade is a turbine guide vane, in particular for a thermal and / or stationary turbo machine for generating energy.
In einer Ausgestaltung ist die Aufnahme zur, insbesondere mechanischen, Kopplung an ein Gegenstück eines Turbinenringes, beispielsweise Leitringes, ausgebildet.In one embodiment, the receptacle is designed for, in particular mechanical, coupling to a counterpart of a turbine ring, for example a guide ring.
In einer Ausgestaltung ist die Ausnahme bzw. die Aufhängung ein, insbesondere rundes, Durchgangsloch.In one embodiment, the exception or the suspension is an, in particular round, through hole.
In einer Ausgestaltung ist die Aufnahme ein Sackloch oder eine Bohrung.In one embodiment, the receptacle is a blind hole or a bore.
In einer Ausgestaltung umfasst die Anschlagfläche zwei voneinander getrennte Teilflächen. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine Gewichtsoptimierung der Turbinenschaufel bei ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit erreicht werden. Für eine neuartige Herstellungsroute der beschriebenen Turbinenschaufel, beispielsweise im Wege einer additiven Fertigung, bedeutet dies Gewichtsoptimierung und eine Einsparung von Rohmaterial.In one embodiment, the stop surface comprises two partial surfaces that are separate from one another. This configuration can advantageously optimize the weight of the turbine blade with sufficient mechanical stability and accuracy of fit. For a new type of manufacturing route for the turbine blade described, for example by means of additive manufacturing, this means weight optimization and a saving in raw material.
Durch die Vorsehung von mehreren kleinen getrennten Flächen anstatt einer großen Anschlagfläche wird mit anderen Worten vorteilhafterweise gleichzeitig Material und wertvolle Prozesszeit eingespart.In other words, the provision of several small separate surfaces instead of one large stop surface advantageously saves material and valuable process time at the same time.
In einer Ausgestaltung sind die Teilflächen entgegengesetzt von der Mitte der Fußplatte beabstandet angeordnet. Durch diese Ausgestaltung, in der beispielsweise in Umfangsrichtung eines Leitschaufelkranzes betrachtet, an jeder Seite der Aufnahme einer Anschlagfläche vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise eine besonders effiziente Lagerung und/oder Verdrehsicherung der Turbinenschaufel gewährleistet werden. Insbesondere ermöglicht diese Ausgestaltung vorteilhafterweise die Wirkung einer Zweipunktverdrehsicherung, bei der weniger Lagerungspunkte erforderlich sind, als bei vergleichbaren, konventionell hergestellten Turbinenschaufeln.In one embodiment, the partial areas are arranged opposite to the center of the base plate and spaced apart. With this configuration, in which, for example, viewed in the circumferential direction of a guide vane ring, a stop surface is provided on each side of the receptacle, a particularly efficient mounting and / or anti-rotation lock of the Turbine blade can be guaranteed. In particular, this configuration advantageously enables the effect of a two-point anti-rotation lock, in which fewer mounting points are required than with comparable, conventionally manufactured turbine blades.
In einer Ausgestaltung ist die Verdrehsicherung eine Zweipunktverdrehsicherung. Eine Verdrehung oder ungewollte Rotation der Turbinenschaufel im Betrieb wird dadurch, erstens, effizient durch die Aufhängung und, zweitens, durch die Anschlagfläche bewirkt.In one embodiment, the anti-rotation lock is a two-point anti-rotation lock. A twisting or unwanted rotation of the turbine blade during operation is thereby brought about, firstly, efficiently by the suspension and, secondly, by the stop surface.
In einer Ausgestaltung erstrecken sich beide Teilflächen der Anschlagfläche - zusammengenommen - über mehr als die Hälfte der anströmseitigen Ausdehnung der Fußplatte. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine besonders große Anschlagfläche und damit effiziente Verdrehsicherung mit kleinen Bewegungstoleranzen im Betrieb erreicht werden.In one embodiment, both partial surfaces of the stop surface - taken together - extend over more than half of the inflow-side expansion of the footplate. This configuration advantageously makes it possible to achieve a particularly large stop surface and thus efficient anti-twist protection with small movement tolerances during operation.
In einer Ausgestaltung umfasst eine oder jede der Teilflächen wiederum zwei voneinander getrennte und vorzugsweise beabstandete Unterteilflächen. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise ebenfalls eine (weitere) Gewichtsoptimierung der Turbinenschaufel bei ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit erreicht werden.In one embodiment, one or each of the partial areas in turn comprises two separate and preferably spaced apart lower partial areas. With this configuration, a (further) weight optimization of the turbine blade can advantageously also be achieved with sufficient mechanical stability and accuracy of fit.
In einer Ausgestaltung sind die Unterteilflächen in einer sich von einer Anströmseite zu einer Abströmseite der Turbinenschaufel erstreckenden Richtung voneinander beabstandet. Auch dieser Ausgestaltung ermöglicht vorteilhafterweise eine (weitere) Gewichtsoptimierung ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit der Schaufel.In one embodiment, the lower sub-surfaces are spaced apart from one another in a direction extending from an inflow side to an outflow side of the turbine blade. This configuration also advantageously enables a (further) weight optimization of sufficient mechanical stability and accuracy of fit of the blade.
In einer Ausgestaltung weist die Fußplatte eine Gitterstruktur auf. Durch diese Ausgestaltung kann ein Gewicht der Komponente bei tolerabler mechanischer Stabilität weiterhin reduziert werden. Gleichzeitig kann - ähnlich zu den vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen - ein Herstellungsaufwand durch die Vorsehung neuartiger, additiver Verfahren, reduziert werden.In one embodiment, the footplate has a lattice structure. With this configuration, the weight of the component can be further reduced with tolerable mechanical stability. At the same time - similar to the configurations described above - manufacturing costs can be reduced by providing novel, additive methods.
In einer Ausgestaltung ist die Gitterstruktur angeordnet und ausgebildet, beim Einbau der Schaufel, beispielsweise in eine Strömungsmaschine, insbesondere an einen Turbinenleitring, eine Justage der Schaufel zu erleichtern, oder zu unterstützen. Die genannte Ausrichtung oder Justage erfolgt vorzugsweise weiterhin mit Exzenterstiften. Die genannte Vereinfachung der Justage wird dadurch erreicht, dass die Gitterstruktur mechanische Kräfte bei der Justage, insbesondere zu Dichtspaltsoptimierung aufnehmen kann.In one embodiment, the lattice structure is arranged and designed to facilitate or support an adjustment of the blade when the blade is installed, for example in a turbo-engine, in particular on a turbine guide ring. The aforementioned alignment or adjustment is preferably still carried out with eccentric pins. The aforementioned simplification of the adjustment is achieved in that the lattice structure can absorb mechanical forces during the adjustment, in particular to optimize the sealing gap.
In einer Ausgestaltung weist die Gitterstruktur Gitterelemente auf, die dünn genug ausgebildet sind, gegebenenfalls beim Einbau der Schaufel in eine Turbine, insbesondere zur Dichtspaltsoptimierung, verformt zu werden.In one embodiment, the lattice structure has lattice elements that are made thin enough to be deformed when the blade is installed in a turbine, in particular to optimize the sealing gap.
In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel frei von Dichtschlitzen und/oder Dichtfedern ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Turbinenschaufel vorteilhafterweise keine einstückig mit dieser verbundenen Dichtelemente auf. Dies kann insbesondere die Herstellung der Turbinenschaufel erleichtern.In one embodiment, the turbine blade is free of sealing slots and / or sealing springs. In other words, the turbine blade advantageously does not have any sealing elements connected to it in one piece. This can in particular facilitate the manufacture of the turbine blade.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine, umfassend eine Turbinenschaufel wie oben beschrieben bzw. eine Anordnung von solchen Turbinenschaufeln, wobei die Turbine weiterhin einen Turbinenring umfasst, an dem die Turbinenschaufeln befestigt sind.Another aspect of the present invention relates to a turbine comprising a turbine blade as described above or an arrangement of such turbine blades, the turbine further comprising a turbine ring to which the turbine blades are attached.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel, insbesondere mittels eines lasergestützten, pulverbettbasierten Ansatzes. Diese Herstellungsweise ermöglicht es mit Vorteil, die Produktdurchlaufzeit entsprechender Komponenten maßgeblich, insbesondere um mehrere Monate zu verkürzen, als auch die Komponenten mit verbesserten Geometrien und Eigenschaften auszugestalten, welche bisher auf konventionellem Wege nicht oder nur mit großen Kosten zu erzielen sind.Another aspect of the present invention relates to a method for the additive manufacture of the turbine blade, in particular by means of a laser-assisted, powder-bed-based approach. This manufacturing method advantageously makes it possible to significantly shorten the product throughput time of corresponding components, in particular by several months, as well as to design the components with improved geometries and properties, which up to now could not be achieved conventionally or only at great cost.
In einer Ausgestaltung ist oder wird die Gitterstruktur insbesondere nach dessen additivem Aufbau mechanisch nicht oder kaum nachbearbeitet. Die oben beschriebene Ausgestaltung der Turbinenschaufel mit der Gitterstruktur prädestiniert die Schaufel gerade für die genannten additiven Herstellungsverfahren. Insbesondere durch konventionelle Herstellungsmethoden ist die Ausbildung einer Gitterstruktur - wie oben beschrieben - technisch oder wirtschaftlich unmöglich.In one embodiment, the lattice structure is or is not or is hardly reworked mechanically, in particular after its additive construction. The above-described configuration of the turbine blade with the lattice structure predestines the blade precisely for the additive manufacturing processes mentioned. Using conventional manufacturing methods in particular, the formation of a lattice structure - as described above - is technically or economically impossible.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung oder Justage einer Turbinenschaufel in einem Turbinenring, wie einem Turbinenleitring, wobei die Gitterstruktur, insbesondere zu Dichtspaltsoptimierung, verformt wird.Another aspect of the present invention relates to a method for aligning or adjusting a turbine blade in a turbine ring, such as a turbine guide ring, the lattice structure being deformed, in particular to optimize the sealing gap.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Turbinenschaufel oder die Turbine beziehen, können ferner das beschriebene additive Herstellungsverfahren oder das Justageverfahren betreffen, oder umgekehrt.Refinements, features and / or advantages that in the present case relate to the turbine blade or the turbine can furthermore relate to the additive manufacturing method described or the adjustment method, or vice versa.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.The term "and / or" as used herein, when used in a series of two or more elements, means that any of the The items listed can be used alone, or any combination of two or more of the items listed can be used.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt vereinfachte perspektivische Ansicht eines Teils einer bekannten Turbinenleitschaufel. -
2 zeigt einen Teil einer perspektivischen oder Seitenansicht eines Schaufelfußes einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung. -
3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel gemäß einer alternativen Ausgestaltung. -
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Turbine oder eines Teils davon, umfassend eine Anordnung von Turbinenschaufeln wie oben beschrieben.
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1 Figure 12 shows a simplified perspective view of part of a known turbine guide vane. -
2 Figure 12 shows part of a perspective or side view of a blade root of a turbine blade according to the present invention. -
3 shows a simplified perspective view of a blade root of the turbine blade according to an alternative embodiment. -
4th shows a schematic perspective view of a turbine or a part thereof, comprising an arrangement of turbine blades as described above.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their proportions to one another are fundamentally not to be regarded as true to scale; rather, individual elements can be shown exaggeratedly thick or with large dimensions for better illustration and / or for better understanding.
Hauptsächlich ist in
Die Turbinenschaufel
Die Richtung y erstreckt sich von der Anströmseite
Die Richtung oder Achse x bezeichnet vorzugsweise eine zu der Richtung y senkrechte Richtung, welche auch eine Umfangs- oder Tangentialrichtung einer entsprechenden Anordnung von Turbinenschaufeln in einem Schaufelkranz oder einer Turbinenstufe entspricht.The direction or axis x preferably denotes a direction perpendicular to the direction y, which also corresponds to a circumferential or tangential direction of a corresponding arrangement of turbine blades in a blade ring or a turbine stage.
Weiterhin ist innerhalb des Schaufelfußes
Der Schaufelfuß
Um einer solchen Bewegung vorzubeugen, weist die dargestellte Turbinenschaufel weiterhin eine Anschlagfläche
Weiterhin weist die gezeigte Turbinenschaufel
Die Fußplatte
Die Aufnahme
Demgegenüber ist in
Diese „mittige“ oder zentrale Anordnung bzw. Ausgestaltung der Aufnahme
Die Anschlagfläche
Technische Vorteile ergeben sich beispielhaft weiterhin durch eine weitere Unterteilung der Anschlagfläche
Insgesamt ist die Gitterstruktur
In einem entsprechenden Justage-Verfahren oder Verfahren zur Ausrichtung der Turbinenschaufel kann die Gitterstruktur dabei vorteilhafterweise und in kontrollierter Art verformt werden. Dabei werden vorzugsweise keine Gitterelemente abgebrochen, sondern die Verformung erfolgt vorzugsweise fließend und bewirkt eine stabile Positionierbarkeit oder Einstellbarkeit der Turbinenschaufel
Solche Gitterstrukturen sind auf konventionellem Herstellungswege nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar.Such lattice structures cannot be produced, or cannot be produced economically, using conventional production methods.
Daher wird die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise durch eine additive Herstellungstechnologie, insbesondere pulverbettbasierte Verfahren, wie selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen hergestellt. Die genannten Verfahren zählen zu sogenannten „Powder-Bed Fusion“-Verfahren. Ein beispielsweise im Wege einer CAD-Datei („Computer-Aided-Manufacturing“) bereitgestelltes Design der Komponente wird dabei in einen Prozessor der Anlage eingelesen und durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing“) vorzugsweise in einzelne Schichten von weniger als 50 µm Dicke unterteilt, die dann in Form von Pulver auf einer Bauplattform aufgetragen und anschließend selektiv mit einem Energiestrahl, vorzugsweise Laserstrahl oder Elektronenstrahl, gemäß der gewünschten Geometrie aufgeschmolzen und verfestigt werden.Therefore, the turbine blade according to the present invention is preferably manufactured by an additive manufacturing technology, in particular powder-bed-based methods, such as selective laser sintering, selective laser melting or electron beam melting. The processes mentioned are part of the so-called “powder bed fusion” process. A design of the component provided, for example, by way of a CAD file (“Computer-Aided Manufacturing”) is read into a processor of the system and preferably divided into individual layers of less than 50 µm thick, which is then applied in the form of powder on a building platform and then selectively with an energy beam, preferably a laser beam or Electron beam, melted and solidified according to the desired geometry.
Dadurch besteht eine sehr große Designfreiheit bei der Herstellung der Bauteile, welche beispielsweise auch die Herstellung der Gitterelemente, wie oben beschrieben, erst ermöglicht oder prädestiniert. Hinsichtlich einer Strukturqualität der Bauteile stehen additive Herstellungswege in der Regel konventionellen Herstellungsrouten etwas nach. Das liegt u.a. an den großen Temperaturgradienten von teilweise mehr als 106 K/s, welche durch den sehr lokalen Energieeintrag des Energiestrahls bewirkt werden, und die erzielten Strukturen anfällig für Heiß- oder Erstarrungsrisse machen.As a result, there is a great deal of design freedom in the manufacture of the components, which, for example, also enables or predestines the manufacture of the grid elements, as described above. With regard to the structural quality of the components, additive manufacturing methods are usually somewhat inferior to conventional manufacturing routes. This is due, among other things, to the large temperature gradients of sometimes more than 10 6 K / s, which are caused by the very local energy input of the energy beam and make the structures obtained susceptible to hot or solidification cracks.
Bei der Herstellung der Gitterstruktur für die vorliegende Turbinenschaufel, wird diese nachträglich, d.h. nach dem eigentlichen additiven Aufbau, vorzugsweise nicht mehr mechanisch nachbearbeitet. Eine Nachbearbeitung ist insbesondere obsolet, da die Gitterstrukturen, wie oben beschrieben, beim Einbau der Schaufel ohnehin verformt werden. Dadurch kann die gesamte Herstellung des Bauteils, beispielweise gegenüber konventionellen Herstellungsansätzen vorteilhafterweise weiterhin deutlich verkürzt werden.When producing the lattice structure for the present turbine blade, it is preferably not mechanically reworked afterwards, i.e. after the actual additive structure. Post-processing is particularly obsolete since the lattice structures, as described above, are deformed in any case when the blade is installed. As a result, the entire production of the component, for example compared to conventional production approaches, can advantageously continue to be significantly shortened.
Die Turbine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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