DE102020216193A1

DE102020216193A1 - Schaufelbauteil, Verfahren zu dessen Herstellung und Gasturbine

Info

Publication number: DE102020216193A1
Application number: DE102020216193.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wunderlich; Markus Weinert
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: 2022-08-11
Also published as: US11761340B2; US20220195875A1

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, unddie mindestens zwei Bauelemente (51, 52) mit mindestens einem Mittel (80) zur internen Kühlung des Schaufelbauteils (50) koppelbar oder verbindbar sind und / oderdas Mittel (80) zur internen Kühlung des Schaufelbauteils (50) in mindestens einem der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) angeordnet ist.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 14 und eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
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 Vorrichtugnen zur Wärmeübertragung, insbesodnere 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 ausgebildet.
Dabei weist das Schaufelbauteil mindestens zwei Bauelemente auf, die mittels eines Verbindungsverfahrens, insbesondere einer Sinterung, miteinander verbindbar sind, wobei die mindestens zwei Bauelemente mit mindestens einem Mittel zur internen Kühlung des Schaufelbauteils koppelbar oder verbindbar sind. Es ist aber zusätzlich oder alternativ möglich, dass das Mittel zur internen Kühlung des Schaufelbauteils in mindestens einem der mindestens zwei Bauelemente angeordnet ist.
Im Inneren des Schaufelbauteils ist in jedem Fall im Zusammenbau ein Mittel zur internen Kühlung des Schaufelbauteils im Betrieb angeordnet.
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.
Die eine Fläche oder die mehreren Verbindungsflächen liegen auf einer Fläche im Raum, die eine bestimmte Orientierung aufweist. Ein Beispiel für eine solche Fläche ist z.B. eine Ebene, die senkrecht zur radialen Ausrichtung des Schaufelbauteils angeordnet ist, d.h., sie schneidet das Schaufelbauteil quer.
Im allgemeineren Fall wird die Fläche, in der die Verbindungsfläche liegt, eine Freiformfläche sein, die z.B. gekrümmt ist, gewellt ist oder in 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 Formen für den jeweiligen Einsatzzweck optimiert wurde. Eine Möglichkeit wäre z.B. eine Freiformfläche analog zu einer Schaufelgeometrie (Aerofoil).
Damit ist eine kostengünstigere Herstellung der geometrischen Merkmale der Schaufelbauteile möglich, die für ein hocheffizientes Kühlsystem bei einer kleinen Bauteilgröße erforderlich ist. Dies geht einher mit der Möglichkeit, kleinere Merkmale mit geringerer Wandstärke zu entwerfen und herzustellen, was zu einem vergleichsweise leichteren Schaufeldesign führt.
In einer Ausführungsform weist mindestens eines der zwei Bauelemente an seiner Innenseite eine Kontur auf, die im Zusammenbau einen Teil eines Kühlkanals bildet. Die Kontur kann sich insbesondere im Zusammenbau von dem mindestens einen Bauelement in das Innere des Schaufelbauteils erstrecken. Der Kühlkanal ist von einem Kühlmedium, wie z.B. Luft, durchströmbar. 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.
In einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Bauelemente im Zusammenbau mit einem Kühleinsatz im Inneren des Schaufelbauteils koppelbar, wobei im Betrieb in den Kühleinsatz einströmende Kühlluft über Prallkühlöffnungen gezielt auf die Innenseite des Schaufelbauteils, insbesondere als Prallstromkühlung, führbar ist. Dabei kann sich z.B. im Zusammenbau zwischen den mindestens zwei Bauelementen und dem Kühleinsatz ein Kühlkanal ausbilden. Die Bauelemente und der Kühleinsatz können dabei separat hergestellt werden und dann zu einem Schaufelbauteil gefügt werden.
Das spezifische Design mit einem Kühleinsatz ermöglicht die Anpassung eines Prallkühlsystems ohne die Notwendigkeit hochkomplexer Kerndesigns, die sich nur schwer zu niedrigen Kosten und mit hoher Ausbeute herstellen lassen.
Ferner sind die mindestens zwei Bauelemente über eine Verbindungsfläche verbunden, wobei die Verbindungsfläche in einer Freiformfläche oder in einer Ebene angeordnet ist.
Dabei kann die Freiformfläche oder die Ebene im Wesentlichen parallel zur radialen Erstreckung des Schaufelbauteils angeordnet oder die Freiformfläche oder die Ebene ist im Wesentlichen senkrecht zur radialen Erstreckung angeordnet.
Für eine besonders effiziente Herstellung des Schaufelbauteils können die mindestens zwei Bauelemente und / oder der Kühleinsatz als Grünteile eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet sein. Diese lassen sich dann im Fortgang eines Metallpulverspritzgussverfahrens gemeinsamen sintern.
Die mindestens zwei Bauelemente und / oder der Kühleinsatz können aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Damit kann ein Schaufelbauteil zusammengefügt werden, dessen einzelne Teile belastungsgerecht ausgebildet werden können. So kann z.B. in Bereichen mit besonders hoher thermischer Belastung ein anderes Material verwendet werden als für Bereiche, in denen die Belastung nicht so hoch ist. 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. Auch ist es möglich, eine Teilung in radialer Richtung vorzunehmen, die von der mechanischen Belastung abhängt.
Auch kann eines der mindestens zwei Bauelemente die Saugseite oder die Druckseite des Schaufelbauteils umfassen. Damit ergibt sich im Wesentlichen eine Aufteilung des Schaufelbauteils mit einer Verbindungsfläche, die sich in radialer Richtung erstreckt.
Alternativ ist es möglich, dass eines der mindestens zwei Bauelemente die Spitze des Schaufelbauteils oder die Basis des Schaufelbauteils umfasst. Damit ergibt sich im Wesentlichen eine Aufteilung des Schaufelbauteils mit einer Verbindungsfläche, die sich senkrecht zur radialen Richtung erstreckt.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Schaufelbauteil zu einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil, insbesondere durch eine Sinterung zu einer Verdichter- oder Turbinenstufe verbunden werden.
Auch kann an mindestens einem der Bauelemente ein Verbindungsmittel zu einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil angeordnet sein. Das Verbindungmittel kann z.B. formschlüssig als Schwalbenschwanzverbindung oder als Tannenbaumverbindung ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Dabei können insbesondere die mindestens zwei Bauelemente mit einem Kühleinsatz und / oder mit einem Ringbauteil oder mit einem Scheibenbauteil verbunden, insbesondere gesintert, werden.
Ferner wird die Aufgabe auch durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Dabei kann sie als stationäre Gasturbine, als Gasturbine für ein Schiff oder als Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug ausgebildet sein.
Im Folgenden werden Ausführungsformen anhand von Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
Es zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Schaufelbauteils, zusammengesetzt aus zwei Bauelementen;
3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Bauelementes (Saugseite) der Ausführungsform gemäß 2;
4 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Bauelementes (Druckseite) der Ausführungsform gemäß 2;
5 eine Ansicht der Innenseite des zweiten Bauelementes;
6 eine perspektivische Ansicht eines Schaufelbauteils mit einem darin integrierten Kühleinsatz;
7a, b eine weitere Ausführungsform eines Schaufelbauteils mit zwei Bauelementen mit zwei Darstellungen;
8 eine Darstellung eines ersten Bauelementes (Basiselement) der Ausführungsform gemäß 7;
9 eine Darstellung eines zweiten Bauelementes (Spitzenelement) der Ausführungsform gemäß 7;
10. eine Darstellung der beiden Bauelemente der Ausführungsform gemäß 7 beim Zusammenbau;
11 eine Darstellung eines Ringbauteils, gebildet aus Schaufelbauteilen;
12 eine Darstellung eines Scheibenbauteil, gebildet aus Schaufelbauteilen.

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 in 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 perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Schaufelbauteils 50 dargestellt, das aus zwei Bauelementen 51, 52 zusammengesetzt ist. Die einzelnen Bauelemente 51, 52 sind in den 3 und 4 dargestellt.
Wenn ein solches Schaufelbauteil 50 im Betrieb ist, wird es aus der Anströmungsrichtung F angeströmt. Auf der in der Darstellung der 2 abgewandten Seite befindet sich dann die Saugseite S, auf der zugewandten Seite die Druckseite D. Generell erstreckt sich das Schaufelbauteil 50 von der Basis in radialer Richtung R nach oben.
Die beiden Bauelemente 51, 52, die in den 3 und 4 näher beschrieben werden, sind über eine Verbindungsfläche 60 miteinander verbunden, wobei in der Darstellung der 2 nur die Fügelinie an der Vorderkannte erkennbar ist. Die Verbindungsfläche 60 ist hier eine gebogene Fläche 70, die in etwa der Mittellinie des Querschnitts des Schaufelbauteils 50 folgt. Die Fläche 70 ist hier schematisch - über das Schaufelbauteil 50 hinausgehend - eingezeichnet.
Die Verbindungsfläche 60 verbindet hier das erste Bauelement 51, das die Saugseite S umfasst und das zweite Bauelement 51, das die Druckseite D umfasst. Da die beiden Seiten S, D im Betrieb unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind, können die beiden Teile z.B. aus unterschiedlichen, belastungsgerecht angepassten Materialien bestehen oder auch für den jeweiligen Einsatzzweck besonders strukturell ausgestaltet sein.
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 können, d.h. die Verbindungsfläche 60 liegt im Inneren des zusammengefügten Schaufelbauteils 50.
Ein solches Schaufelbauteil 50 kann dabei grundsätzlich Teil einer Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine werden. Dabei kann an der Basis mindestens eines der beiden Bauelemente 51, 52 ein Verbindungsmittel zu einem Ringbauteil 55 oder Scheibenbauteil (siehe z.B. 11 oder 12) angeordnet sein, z.B. in Form einer Schwalbenschwanzverbindung oder einer Tannenbaumverbindung (hier nicht dargestellt). Dieses Verbindungsmittel kann bereits am Grünteil angeformt sein oder das Verbindungsmittel wird durch eine nachträgliche maschinelle Bearbeitung (z.B. Fräsen, Funkenerodieren) an den Bauelementen 51, 52 hergestellt.
Die Fläche 70, in der die Verbindungsfläche 60 zwischen den Bauelementen 51, 52 liegt, ist hier eine gekrümmte Fläche, wobei die Krümmung in radialer Richtung R im Wesentlichen konstant ist (aber nicht sein muss).
In anderen Ausführungsformen kann die Fläche 70, in der die Verbindungsfläche 60 (oder deren Teile) liegt, komplexer sein. So kann sich die Fläche 70 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 gebildet sein kann.
Ein dermaßen aus Grünteilen 51, 52 zusammengesetztes Schaufelbauteil 50 wird durch ein Verbindungsverfahren - hier einer Sinterung im Rahmen eines Metallpulverspritzgussverfahrens - verbunden.
Dabei können die beiden Bauelemente 51, 52 mit einem Mittel 80 zur internen Kühlung des Schaufelbauteils koppelbar oder verbindbar sein, wie dies im Zusammenhang mit der 6 beschrieben wird.
In der 2 ist in der Basis des Schaufelbauteils 50 eine Eintrittsöffnung 83 für ein Kühlmedium, z.B. Kühlluft K, angeordnet. Nach dem Durchströmen des Inneren des Schaufelbauteils 50 tritt die erwärmte Kühlluft K durch Austrittsöffnungen 84 wieder aus. Die Austrittsöffnungen 84 liegen auf der Verbindungsfläche 60, so dass der eine Teil der Austrittsöffnungen 84 im ersten Bauelement 51 angeordnet ist, der andere Teil in dem zweiten Bauelement 52. Die Teile der Austrittsöffnungen 84 können dabei bereits bei der Herstellung der Grünteile angelegt sein, so dass sich die vollständigen Austrittsöffnungen 84 nach der Verbindung (Sinterung) der beiden Bauelemente 51, 52 ergeben. Dadurch müssen Austrittsöffnungen 84 nicht nachträglich, z.B. durch Bohren hergestellt werden.
Des Weiteren sind in der 2 Konturen 53 im Inneren des Schaufelbauteils 50 erkennbar, die in Form von Wandungen von der Innenseite eines Bauelementes 51 abstehen und in das Innere ragen. Diese stellen damit Kühlrippen dar, die der besseren Wärmeübertragung dienen.
Die hier dargestellte Ausführungsform weist zwei Bauelemente 51, 52 auf. Grundsätzlich ist es auch möglich, 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, dass die Fläche 70 gegenüber der radialen Erstreckung R geneigt ist.
In 3 ist eine perspektivische Ansicht des ersten Bauelementes 51 dargestellt, das die Saugseite S (hier auf der abgewandten Seite) des Schaufelbauteils 50 umfasst. Dabei sind die Konturen 53 zur verbesserten Wärmeübertragung auf der Innenseite des Bauelementes 51 erkennbar. Als Innenseite wird hier die Seite verstanden, die im Zusammenbau des Schaufelbauteils 50 zum Inneren zeigt.
In der Ansicht ist die Verbindungsfläche 60 erkennbar, die in der Fläche 70 (hier nicht dargestellt) liegt.
4 zeigt das zum ersten Bauelement 51 komplementäre zweite Bauelement 52. Dieses zweite Bauelement 52 umfasst die Druckseite D des Schaufelbauteils 50.
Die Innenseite des zweiten Bauelementes 52 ist in 5 dargestellt, wobei hier die Verbindungsfläche 60 zu erkennen ist, über die die Verbindung zum ersten Bauelement 51 herstellbar ist.
Die beiden Bauelemente 51, 52 sind hier mit einem Mittel 80 zur internen Kühlung des Schaufelbauteils, hier einem Kühleinsatz 80, koppelbar, der im Zusammenbau der beiden Bauelemente 51, 52 im Inneren des Schaufelbauteils angeordnet ist. Eine Ausführungsform des Kühleinsatzes 80 ist in 6 dargestellt, wobei außen die Form des Schaufelbauteils 50 dargestellt ist.
Der Kühleinsatz 80 hat an seinem unteren Ende eine Öffnung, um den Eintritt von Kühlluft K zu ermöglichen. Sobald die Kühlluft K die Innenkammer des Kühleinsatzes 80 erreicht hat, wird sie durch einzeln beabstandete Prallkühlöffnungen 81 (hier schematisch dargestellt) getrieben, die bei der Herstellung des Kühleinsatzes 80 oder durch maschinelle Bearbeitung hergestellt werden. Die Kühlluft K trifft dann auf die Innenseite des Schaufelbauteils 50 in Form einer Prallluftkühlung, wodurch im Betrieb ein guter Wärmeübergang von der Kühlluft K zum Material entsteht. Der Zwischenraum zwischen der Innenseite der Bauelemente 51, 52 und dem Kühleinsatz ist ein Kühlkanal 82.
Anschließend tritt die Kühlluft durch die Austrittsöffnungen 84 (siehe 2) und ggf. zusätzlich angebrachte Kühlbohrungen wieder aus. Der Kühleinsatz 80 wird ebenfalls als Grünteil ausgebildet, so dass er beim Sintern mit den Bauelementen 51, 52 zu einem strukturellen Teil des Schaufelbauteils 50 wird.
In den 2 bis 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Fläche 70, in der die Verbindungsfläche 60 liegt, im Wesentlichen in Richtung der radialen Erstreckung R angeordnet ist. Die Bauelemente 51, 52 sind dabei mit dem Kühleinsatz 80 koppelbar.
In den 7 bis 10 ist eine weitere Ausführungsform eines Schaufelbauteils 50 dargestellt, bei dem die Bauelemente 51, 52 in einer anderen Lage zusammengesetzt werden. Die Verbindungsfläche 60 ist dabei im Wesentlichen senkrecht zur radialen Erstreckung R angeordnet. Grundsätzlich ist die Beschreibung der ersten Ausführungsform gemäß der 2 bis 5 auch hier anwendbar, so dass darauf Bezug genommen werden kann.
Das erste Bauelement 51 ist hier als Basiselement ausgebildet (siehe 8), auf das oben das zweite Bauelement 52 als Spitzenelement (9) anordbar ist. Wie zuvor, können beide Bauelemente 51, 52 als Grünteile im Rahmen eines Metallpulverspritzgussverfahrens hergestellt werden und dann durch Sintern verbunden werden.
Auf der 7a ist eine perspektivische Ansicht eines solchen Schaufelbauteils 50 dargestellt, wobei vorne die Druckseite D liegt. Auf der abgewandten Seite liegt die Saugseite S. Wie bei der Ausführungsform gemäß der 2 bis 5 ist in der Basis eine Eintrittsöffnung 83 für das Kühlmedium (z.B. Kühlluft) angeordnet.
Die Verbindungsfläche 60 ist im oberen Zehntel der Gesamthöhe des Schaufelbauteils 50 angeordnet. Die Verbindungsfläche 60 liegt in einer leicht nach unten - zur Basis hin - gekrümmten Fläche 70 (hier nicht dargestellt), wobei die generelle Ausrichtung der Fläche 70 senkrecht zur radialen Erstreckung R liegt.
In der 7b ist das gleiche Schaufelbauteil 50 dargestellt, wobei im Inneren durch durchbrochene Linien ein Mittel 80 zur internen Kühlung des Schaufelbauteils angeordnet ist, das in den Bauelementen 51, 52 selbst angeordnet ist. Die Bauelemente 51, 52 sind dabei so ausgebildet, dass sich im Zusammenbau ein serpentinenartiger Kühlkanal 82 bildet.
In 8 ist das Basiselement 51 mit dem im Inneren angeordneten Kühlkanal 81 dargestellt. Die Kühlluft K tritt dabei durch die Eintrittsöffnung 83 in das Bauelement 51 ein und wird dann im Kühlkanal 80 zunächst nach oben geführt. Am oberen Ende (in radialer Richtung R gesehen) biegt der Kühlkanal 80 dann nach hinten ab. Der Kühlkanal 80 führt dann wieder nach unten und anschließend wieder nach oben, so dass sich eine serpentinenartige Anordnung mit einem Drei-Pass Kühlsystem 80 ergibt.
9 zeigt das Spitzenelement 52, das mit dem Basiselement 51 verbindbar ist, wie dies in 10 dargestellt ist.
Mit diesem Konzept kann eine Vielzahl verschiedener Kernanordnungen realisiert werden, angefangen von einfachen geraden, radial nach außen gerichteten Durchgängen bis hin zu Kombinationen von Mehrzugkernen mit Serpentinenbögen mit geraden Durchgängen.
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, das Schaufelbauteil 50 mit einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil 55, insbesondere durch eine Sinterung, zu einer Verdichter- oder Turbinenstufe zu verbinden.
Es ist denkbar, dass mit einem Metallpulverspritzgussverfahren ein Ringbauteil 55 (siehe 11) mit Schaufelbauteilen 50 herstellbar ist. Dabei können die Schaufelbauteile 50 (hergestellt wie oben beschrieben) ringförmig angeordnet werden, wobei zwischen den einzelnen Schaufelbauteilen 50 jeweils ein Spalt bleibt. Diese Spalte werden dann mit Metallpulver gefüllt, um ein Entbinden und Sintern der zu dem Schaufelring 55 zusammengesetzten Schaufeln im Rahmen eines Metallpulverspritzgießverfahren zu ermöglichen.
In 12 ist ein Scheibenbauteil 55 dargestellt, das in analoger Weise aus den Schaufelbauteilen 50 herstellbar ist.
Damit können Verdichter- oder Turbinenstufen aus einzelnen Grünteilen zusammengesetzt werden, die individuell geformt werden können. So ist z.B. 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.
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
50: Schaufelbauteil
51: erstes Bauelement des Schaufelbauteils
52: zweites Bauelement des Schaufelbauteils
53: Kontur im Inneren des Schaufelbauteils
55: Ringbauteil, Scheibenbauteil
60: Verbindungsfläche
70: Freiformfläche im Raum
71: Ebene
80: Mittel zur internen Kühlung des Schaufelbauteils, Kühleinsatz
81: Prallkühlöffnungen für Kühlmedium (Kühlluft) im Kühleinsatz
82: Kühlkanal
83: Eintrittsöffnung für Kühlmedium
84: Austrittsöffnung für Kühlmedium
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
D: Druckseite des Schaufelbauteils
F: Anströmungsrichtung
K: Kühlluftstrom
R: radiale Erstreckung des Schaufelbauteils
S: Saugseite des Schaufelbauteils

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 zwei Bauelemente (51, 52) mit mindestens einem Mittel (80) zur internen Kühlung des Schaufelbauteils (50) koppelbar oder verbindbar sind und / oder das Mittel (80) zur internen Kühlung des Schaufelbauteils (50) in mindestens einem der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) angeordnet ist.
Schaufelbauteil (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zwei Bauelemente (51) an seiner Innenseite (I) eine Kontur (K) aufweist, die im Zusammenbau einen Teil eines Kühlkanals (82) bildet.
Schaufelbauteil (50) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (K) sich im Zusammenbau von dem mindestens einen Bauelement (51, 52) in das Innere des Schaufelbauteils (50) erstreckt.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52) im Zusammenbau mit einem Kühleinsatz (80) im Inneren des Schaufelbauteils (50) koppelbar sind, wobei im Betrieb in den Kühleinsatz (80) einströmende Kühlluft über Prallkühlöffnungen (81) gezielt auf die Innenseite des Schaufelbauteils (50), insbesondere als Prallstromkühlung, führbar ist.
Schaufelbauteil (50) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, sich im Zusammenbau zwischen den mindestens zwei Bauelementen (51, 52) und dem Kühleinsatz (80) ein Kühlkanal (82) ausbildet.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52) über eine Verbindungsfläche (60) verbunden sind, wobei die Verbindungsfläche (60) in einer Freiformfläche (70) oder einer Ebene (71) angeordnet ist
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche (70) oder die Ebene (71) im Wesentlichen parallel zur radialen Erstreckung (R) des Schaufelbauteils (50) angeordnet ist oder die Freiformfläche (70) oder die Ebene (71) im Wesentlichen senkrecht zur radialen Erstreckung (R) angeordnet ist.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52) und / oder der Kühleinsatz (80) als Grünteile eines Metallpulverspritzgussverfahrens ausgebildet sind.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52) und / oder der Kühleinsatz (80) aus unterschiedlichen Materialien bestehen oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
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 Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eines der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) die Spitze des Schaufelbauteils (50) oder die Basis des Schaufelbauteils umfasst.
Schaufelbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 an mindestens einem der Bauelemente (51, 52) ein Verbindungsmittel zu einem Ringbauteil oder einem Scheibenbauteil (55) angeordnet ist.
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 mindestens zwei Bauelemente (51, 52) mit mindestens einem Mittel (80) zur internen Kühlung des Schaufelbauteils (50) gekoppelt oder verbunden werden und / oder das Mittel (80) zur internen Kühlung des Schaufelbauteils (50) in mindestens einem der mindestens zwei Bauelemente (51, 52) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauelemente (51, 52), mit einem Kühleinsatz (80) und / oder mit einem Ringbauteil als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahrens oder mit einem Scheibenbauteil (55) als Grünteil eines Metallpulverspritzgussverfahren verbunden, insbesondere gesintert, werden.
Gasturbine, insbesondere Gasturbinentriebwerk (10), mit mindestens einem Schaufelbauteil (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 13
Gasturbine (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie als stationäre Gasturbine, als Gasturbine für ein Schiff oder als Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug ausgebildet ist.