DE19726111C1

DE19726111C1 - Verfahren zur gießtechnischen Herstellung einer Turbomaschinenschaufel

Info

Publication number: DE19726111C1
Application number: DE1997126111
Authority: DE
Inventors: Axel Rosmann; Juergen Dr Wortmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2017-06-21
Also published as: GB9813346D0; FR2764829B1; GB2326363A; FR2764829A1; GB2326363B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gießtechnischen Herstellung einer Turboma schinenschaufel, die ein Schaufelblatt und einen für die formschlüssige Posititonie rung des Schaufelblatts in einem Rotor ausgebildeten Schaufelfuß aufweist.

Aus der US 36 69 177 ist ein Verfahren der vorbezeichneten Art bekannt, bei dem Schau feln für Rotoren von Turbomaschinen, im sogenannten Wachsausschmelzverfahren (Feingußverfahren) hergestellt werden. Dazu wird ein Wachsmodell der Schaufel hergestellt und auf dem Wachsmodell eine Formschale ausgebildet. Nach dem Er starren der Formschale wird das Wachsmodell ausgeschmolzen und der sich da durch in der Formschale bildende, der gewünschten Kontur der Schaufel entspre chende Hohlraum ausgegossen. Nach dem Erstarren des Gießlings wird die Form schale entfernt. Mit diesem Vefahren lassen sich zwar ausreichende Genauigkeiten und Oberflächengüten im Blattprofil der Schaufel erreichen, die Deckbänder und der Schaufelfuß müssen jedoch in Anbetracht der höheren Genauigkeitsanforderungen an den Auflageflächen bearbeitet (geschliffen) werden. Diese zusätzliche Bearbei tung bildet einen großen Anteil der Neuteilkosten. Gelänge es, diese zusätzliche Be arbeitung überflüssig zu machen, so würde dies einen entscheidenden Vorteil bei Aufwand und Kosten bedeuten.

Aus der DE 30 17 041 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinen schaufel bekannt, mit dem Schaufelblatt und Schaufelfuß als einstückiges Gußteil hergestellt werden und danach die Schaufel mittels weiterer Bauteile komplettiert wird. Über eine paßgenaue gießtechnische Herstellung des Schaufelfußes wird in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.

Weiterhin ist aus der DE 28 53 705 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinen rotors bekannt, bei dem für die Herstellung des Fuß- bzw. Wurzelbereichs der Me tallschaufel das Wachsausschmelzverfahren verwendet wird.

Schließlich werden auch in den DE 27 54 231 C1 und DE 24 53 090 B2 Verfahren zur gießtechnischen Herstellung hohler Turbinenschaufeln offenbart. In diesen Druckschriften wird aber nicht auf die Problematik der paßgenauen Herstellung ei nes Schaufelfußes eingegangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur gießtechnischen Her stellung einer Turbomaschinenschaufel zu schaffen, bei dem eine aufwendige Nach bearbeitung des Schaufelfußes nicht erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung sind bei einem Verfahren zur gießtechni schen Herstellung einer Turbomaschinenschaufel mit einem Schau felblatt und einem für die formschlüssige Positionierung des Schaufelblatts in einem Rotor ausgebildeten Schaufelfuß die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen:

a) Herstellen eines Wachsmodells der Schaufel, wobei der Schaufelfuß durch Ausfüllen einer die Schaufelfußkontur aufweisenden Kokille erzeugt wird,
b) Ausbilden einer Formschale auf dem Wachsmodell der Schaufel mit der Fußkokille,
c) Ausschmelzen des Wachsmodells nach dem Erstarren der Form schale,
d) Gießen der Schaufel,
e) Entfernen der Formschale nach dem Erstarren des Gießlings.

Schaufeln nach dem Gießen einschließlich dem Schaufelfuß die erforderliche Genauigkeit und Oberflächengüte aufweisen, so daß eine weitere Nachbearbeitung nicht oder allenfalls nur in einem geringen Umfang erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die zur Herstellung des Schaufelfußes vorgesehenen Kokillen durch Verwendung preiswerter Werkstoffe und günstiger Herstel lungsverfahren kostengünstig hergestellt werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Kokille eine der vorgesehenen Außenkontur des Schaufel fußes entsprechende Innenkontur aufweist, und daß die Kokille nach dem Erstarren des Gießlings mit der Formschale entfernt wird.

Die Kokille kann wiederverwendbar sein und mehrmals zum Gießen von Schaufelfüßen verwendet werden.

Die wiederverwendbare Kokille ist vorteilhafterweise aus einer warmfesten, ausreichend oxidationsbeständigen Legierung herge stellt.

Alternativ zur Verwendung einer wiederverwendbaren Kokille kann die Kokille ein Wegwerfteil sein und wird nur einmalig zum Gie ßen eines Schaufelfußes verwendet.

Die Wegwerfkokille kann aus einem niedrig legierten Stahl her gestellt sein.

Alternativ kann die Wegwerfkokille aus einem Keramikmaterial hergestellt sein.

Die Kokille kann durch Spritzguß, Prägen oder Strangpressen hergestellt werden.

Vorteilhafterweise wird die Kokille bei erhöhter Entfor mungstemperatur entfernt.

Vorteilhafterweise erfolgt das Gießen der Schaufel in einer leicht oxidierenden Atmosphäre. Dies hat den Vorteil, daß sich an der Oberfläche des Gußteils eine Oxidhaut bildet, welche ei nen Materialschluß zwischen Gußteil und Kokille durch Ver schweißen verhindert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Ko kille als ein dünnwandiges Formteil aus einem warmfesten Mate rial hergestellt und hat eine der vorgesehenen Außenkontur des Schaufelfußes entsprechende Außenkontur und verbleibt nach dem Erstarren des Gießlings an dem Schaufelfuß, um die Oberflächen zone desselben zu bilden. Der Vorteil hiervon ist es, daß die Außenkontur des Schaufelfußes durch die Außenkontur der Kokille bereits vor dem Gießen genau definiert ist, wodurch eine noch höhere Genauigkeit und bessere Oberflächengüte des Schaufelfu ßes erreicht werden kann.

Die die Oberflächenzone des Schaufelfußes bildende Kokille kann durch Spritzguß hergestellt sein.

Alternativ kann die die Oberflächenzone des Schaufelfußes bil dende Kokille als Strangpreßprofil oder Walzprofil hergestellt werden.

Vorteilhafterweise wird die die Oberflächenzone des Schaufelfu ßes bildende Kokille aus einem feinkörnigen Kokillenmaterial hergestellt.

Gemäß einer Variante kann die die Oberflächenzone des Schaufel fußes bildende Kokille mit dem Gußteil verschmolzen werden.

Gemäß einer alternativen Variante ist es vorgesehen, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfußes bildende Kokille an dem Gußteil durch Formschluß gehalten wird, ohne mit diesem ver schmolzen zu werden.

Vorteilhafterweise wird die Formschale mit der Fußkokille vor dem Gießen der Schaufel auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Hierdurch wird die Bildung eines unerwünschten Gefüges in dem Gußteil vermieden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Schaufelfuß als Tannenbaumfuß ausgebildet wird.

Alternativ wird der Schaufelfuß als Schwalbenschwanzfuß ausge bildet. Dies hat den Vorteil, daß die bei einer Ausbildung des Schaufelfußes als Tannenbaumfuß erforderliche hohe Genauigkeit wegen der mehreren gleichzeitig tragenden Anlageflächen vermie den wird, so daß die Einhaltung von Toleranzen weniger kritisch ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Schwalbenschwanzfuß so ausgebildet wird, daß er von einer Umfangsnut in der die Schaufelblätter tragenden Rotorscheibe gehalten wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zwei Schnittansichten a) und b) durch eine gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der Erfindung gießtechnisch hergestellte Turbomaschinenschaufel, wobei diese in die Formschale und die Fußkokille eingegossen gezeigt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine Fußkokille, wie sie zum Gießen der Turbomaschinenschaufel gemäß dem an hand der Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird; und

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gießtechnisch her gestellten Turbomaschinenschaufel, welche bereits im an einem Rotor der Turbomaschine montierten Zustand gezeigt ist.

Die Fig. 1a) und b) zeigen einen Längsschnitt, Schnitt A, bzw. einen Querschnitt, Schnitt B, einer Turbomaschinenschaufel 1, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gießtechnisch herge stellt wird. Die Turbomaschinenschaufel 1 umfaßt ein Schaufel blatt 2 und einen Schaufelfuß 3, welcher der formschlüssigen Positionierung des Schaufelblatts 1 in einem Rotor einer Turbo maschine dient. Die Turbomaschine kann beispielsweise eine Tur bine, eine Gasturbine oder ein Strahltriebwerk sein. Der Schaufelfuß 3 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Tannenbaumfuß ausgebildet, bei welchem die Anlageflächen des Schaufelfußes an entsprechenden Anlageflächen einer in dem Ro tor der Turbomaschine ausgebildeten Aussparung anliegen und so die Schaufel 1 festlegen.

Die Herstellung der Schaufel 1 erfolgt in der Weise, daß zu nächst ein Wachsmodell der Schaufel 1 hergestellt wird. Das Wachsmodell des Schaufelfußes 3 wird dadurch hergestellt, daß eine Kokille 4a, welche die Negativkonturen des Schaufelfußes 3 aufweist, mit Wachs ausgefüllt wird. Eine solche Kokille ist in Fig. 2 im Querschnitt dargestellt. Diese wird später noch näher erläutert. Wesentlich ist, daß die Kokille 4a eine genaue Nega tivform des Schaufelfußes 3 ist und dessen Außenkontur mit ho her Genauigkeit und Oberflächengüte aufweist. Bei der Herstellung des Wachsmodells der Schaufel 1 ist die genaue ge genseitige Positionierung des Wachsmodells des Schaufelblatts 2 und der Kokille 4a bzw. des durch diese gebildeten Wachsmodells des Schaufelfußes 3 von wesentlicher Bedeutung.

Nach der Herstellung des Wachsmodells der Schaufel 1 wird eine Formschale 5 auf dem Wachsmodell einschließlich der Fußkokille 4a hergestellt. Die Formschale 5 wird in geeigneter Weise aus einem geeigneten Material hergestellt, wie es beim Wachsaus schmelzverfahren bzw. beim Feinguß üblich ist. Nach dem Erstar ren der Formschale 5 wird das Wachsmodell der Schaufel 1 ausgeschmolzen und dadurch ein Hohlraum in der Formschale 5 ge bildet, welcher genau der Negativform der herzustellenden Schaufel 1 entspricht. Dann erfolgt das Gießen der Schaufel 1. Das Gießen an sich erfolgt wiederum in üblicher Weise wie es beim Feinguß gängig ist. Nach dem Erstarren des Gießlings wird die Formschale 5 entfernt. Damit ist die Turbomaschinenschaufel 1 praktisch auf Endmaß mit ausreichender Genauigkeit und Ober flächengüte hergestellt, so daß keine oder allenfalls eine ge ringfügige Nachbearbeitung erforderlich ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Fußkokille 4a, welche zur gießtechni schen Herstellung einer Turbomaschinenschaufel 1 verwendet wird, wie sie in den Fig. 1a) und 1b) gezeigt ist, weist eine der vorgesehenen Außenkontur des Schaufelfußes 3 entsprechende Innenkontur auf. Die Fußkokille 4a wird nach dem Erstarren des Gießlings zusammen mit der Formschale 5 von dem Gießling ent fernt. Die Kokille 4a kann wiederverwendbar sein und somit mehrmals zum Gießen von Schaufelfüßen 3 verwendet werden, oder sie kann ein Wegwerfteil sein und wird nur einmalig zum Gießen eines Schaufelfußes 3 verwendet. Für den Fall, daß die Kokille 4a wiederverwendbar sein soll, muß sie aus einem Material be stehen, das einem wiederholten Guß thermisch und mechanisch ausreichend widerstandsfähig ist. Als Werkstoff für die Kokille 4a bietet sich eine ausreichend warmfeste, oxidationsbeständige Legierung an. Wenn die Kokille 4a dagegen nur für eine einmali ge Verwendung vorgesehen ist, kann ein billigeres Material ver wendet werden, welches bei Herstellung in entsprechend großer Stückzahl kostengünstig ist und dennoch eine ausreichende Fe stigkeit, Genauigkeit und Oberflächengüte für einen einmaligen Guß bietet. Hierfür bieten sich niedrig legierte Stähle oder Keramik an. Die Kokille 4a kann durch Spritzguß, Prägen oder Strangpressen hergestellt sein, wobei die Genauigkeit und Ober flächengüte des Teils von Bedeutung sind.

Vor dem Gießen werden die Formschale 5 und die Fußkokille 4a auf eine geeignete erhöhte Temperatur gebracht, welche die Bil dung unerwünschten Gefüges vermeidet und dann in üblicher Weise angegossen. Nach dem Erstarren des Gießlings wird die Kokille 4a zusammen mit der Formschale 5 bei einer geeigneten Entfor mungstemperatur entfernt, wobei die Fußkokille 4a im Falle ei ner wiederverwendbaren Kokille ohne Zerstörung zu entfernen ist, wogegen im Falle einer einmalig verwendbaren Fußkokille 4a diese bei der Entformung auch zerstört werden kann. Die Ent formbarkeit der Kokille hängt von einer geeigneten Temperatur führung und Atmosphäre vor und während des Gießprozesses ab. Eine leicht oxidierende Atmosphäre ermöglicht den Ausbau des Gießlings aus der Kokille, da eine sich auf dem Gießling bil dende Oxidhaut einen Materialschluß durch Verschweißen vermei det.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Turbomaschinenschaufel, die gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gießverfahrens hergestellt worden ist. Anstelle einer Kokille, welche eine der vorgesehenen Außenkontur des Schaufelfußes 3 der Turbomaschinenschaufel 1 entsprechende Innenkontur aufweist und nach dem Erstarren des Gießlings zusammen mit der Formscha le 5 entfernt wird, wird hier eine Kokille 4b verwendet, welche eine der vorgesehenen Außenkontur des Schaufelfußes 3 entspre chende Außenkontur aufweist und nach dem Erstarren des Gieß lings an diesem verbleibt, um die Oberflächenzone des Schaufelfußes 3 zu bilden. Hierzu ist die Kokille 4b als ein dünnwandiges Formteil aus einem warmfesten Material hergestellt und an seiner äußeren Oberfläche mit entsprechender Genauigkeit und Oberflächengüte bearbeitet, um den Anforderungen zu genü gen, welche an die Genauigkeit und Oberflächengüte des Schau felfußes 3 gestellt werden. Dieser Schaufelfuß 3 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel als Schwalbenschwanzfuß hergestellt, wel cher in eine entsprechende Ausnehmung am Umfang des Rotors 6 der Turbomaschine eingefügt ist. Die die Oberflächenzone des Schaufelfußes 3 bildende Kokille 4b kann durch Spritzguß oder durch Strangpressen oder Walzen als Profilteil hergestellt sein. Vorteilhafterweise besteht die Kokille 4b aus einem fein körnigen Kokillenmaterial. Das Gießen der Schaufel 1 kann so durchgeführt werden, daß der Fußkörper des Gießlings mit der die Oberflächenzone des Fußes 3 bildenden Kokille 4b verschmol zen wird. Alternativ kann das Gießen auch so durchgeführt wer den, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfußes 3 bildende Kokille 4b mit dem Gußkörper nicht verschmolzen wird. In diesem Fall wird die Kokille 4b durch Formschluß an dem Gußteil gehal ten.

Bei einer Ausbildung des Schaufelfußes 3 als Schwalbenschwanz fuß bietet es sich an, die die Schwalbenschwanzfüße der Turbi nenschaufeln 1 aufnehmenden Ausnehmungen am Rotor 6 als eine Umfangsnut auszubilden, wodurch der Herstellungsaufwand weiter vermindert wird.

Claims

1. Verfahren zur gießtechnischen Herstellung einer Turboma schinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (2) und einem für die formschlüssige Positionierung des Schaufelblatts (2) in einem Rotor ausgebildeten Schaufelfuß (3), gekenn zeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Herstellen eines Wachsmodells der Schaufel (1), wobei der Schaufelfuß (3) durch Ausfüllen einer die Schaufelfuß kontur aufweisenden Kokille (4a; 4b) erzeugt wird,
b) Ausbilden einer Formschale (5) auf dem Wachsmodell der Schaufel (1) mit der Fußkokille (4a; 4b),
c) Ausschmelzen des Wachsmodells nach dem Erstarren der Formschale (5),
d) Gießen der Schaufel (1),
e) Entfernen der Formschale (5) nach dem Erstarren des Gießlings.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (4a) eine der vorgesehenen Außenkontur des Schaufelfußes (3) entsprechende Innenkontur aufweist, und daß die Kokille (4a) nach dem Erstarren des Gießlings mit der Formschale (5) entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (4a) wiederverwendbar ist und mehrmals zum Gießen von Schaufelfüßen (3) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederverwendbare Kokille (4a) aus einer warmfesten, ausreichend oxidationsbeständigen Legierung hergestellt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (4a) ein Wegwerfteil ist und nur einmalig zum Gießen eines Schaufelfußes (3) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegwerfkokille (4a) aus einem niedrig legierten Stahl hergestellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegwerfkokille (4a) aus einem Keramikmaterial herge stellt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kokille (4a) durch Spritzguß, Prä gen oder Strangpressen hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kokille (4a) bei erhöhter Entfor mungstemperatur entfernt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gießen der Schaufel (1) in einer leicht oxidierenden Atmosphäre erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (4b) als ein dünnwandiges Formteil aus einem warmfesten Material hergestellt wird und eine der vorge sehenen Außenkontur des Schaufelfußes (3) entsprechende Außenkontur aufweist und nach dem Erstarren des Gießlings an diesem verbleibt, um die Oberflächenzone des Schaufel fußes (3) zu bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfußes (3) bildende Kokille (4b) durch Spritzguß hergestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfußes (3) bildende Kokille (4b) als Strangpreßprofil oder Walzprofil herge stellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfußes (3) bildende Kokille (4b) aus einem feinkörnigen Kokil lenmaterial hergestellt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfu ßes (3) bildende Kokille (4b) mit dem Gußteil verschmolzen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die die Oberflächenzone des Schaufelfu ßes (3) bildende Kokille (4b) an dem Fußteil durch Formschluß gehalten wird, ohne mit diesem verschmolzen zu sein.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Formschale (5) mit der Fußkokille (4a; 4b) vor dem Gießen der Schaufel (1) auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schaufelfuß (3) als Tannenbaumfuß ausgebildet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schaufelfuß (3) als Schwalben schwanzfuß ausgebildet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwalbenschwanzfuß so ausgebildet wird, daß er von einer Umfangsnut in der Rotorscheibe gehalten wird.