DE2932940C3 - Luftgekühlte Hohlschaufel für Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte Hohlschaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine derartige Hohlschaufel ist aus der GB-PS 8 95 077 bekannt. Derartige Turbinenschaufeln, die insbesondere in Gasturbinentriebwerken Verwendung finden, müssen aus einem temperaturbeständigen, mechanisch schwer bearbeitbaren Werkstoff bestehen, um der Forderung nach immer höheren Arbeitstemperaturen entsprechen zu können. Diese hohen Arbeitstemperaturen bedingen darüber hinaus eine intensive Kühlung der Schaufel. Bei der bekannten Turbinenschaufel sind innerhalb des Schaufelblatthohlraums außer dem Luftzuführungsrohr auch noch viele andere Kanäle und Rippen im Schaufelblatt angeordnet, und durch diesen komplizierten, zusammengesetzten Einbau wird die Herstellung als Feingußteil wegen der Vielzahl der erforderlichen und schwer entfernbaren Kerne außerordentlich schwierig. Auch der Aufbau der bruchempfindlichen aus Keramikmaterial bestehenden Kerne bereitet Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hohlschaufel der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die ohne gießtechnischen Aufwand im Feinguß herstellbar ist und eine günstige Aufprallkühlung gewährleistet.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Dadurch, daß der Raum zwischen Kühllufteinlaßrohr und Schaufelblatt frei ist, können die aus den Kühlluftlöchern des Rohres austretenden Luftstrahlen eine wirksame Auftreffkühlung bewirken. Außerdem ist dieser von Rippen und ähnlichen Einbauten freie Raum zwischen Rohr und Schaufelblatt so groß, daß gefahrlos Keramikkerne eingebaut wenJen können. Auf diese Weise wird eine integral aufgebaute Schaufel geschaffen, die über den früher üblichen zweiteiligen Schaufeln den Vorteil einer sichereren

ίο Halterung des Kühllufteinlaßrohres besitzt.

Bei zweiteiliger Ausführung war es nämlic'i erforderlich, das getrennt hergestellte Kühllufteinlaßrohr durch eine Öffnung der Schaufelspitze einzuführen und am Schaufelfuß hart zu verlöten oder durch formschlüssige Querbolzen zu verankern.

Zur Herstellung dieser Hohlschaufel wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in den den Schaufelhohlraum bildenden Keramikkern ein rohrförmiger das Kühllufteinlaßrohr bildender Einsatzkörper eingeformt wird, der vor dem Guß aus dem Keramikkern ausgeschmolzen oder ausgeätzt wird. Hierdurch wird der technische Fortschritt erzielt, daß durch die Lufteintrittsöffnungen des Lufteintrittsrohres, welche durch Vorsprünge von inneren und äußeren Keramikkernen gebildet sind, diese Keramikkerne vor und während des Gusses einen Zusammenhalt besitzen, der die Gießhohlräume genau definiert, nachdem der Hilfskern ausgeschmolzen oder ausgeätzt ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 3 und 4.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten luftgekühlten Hohlschaufel;

Fig. 2 bis 7 aufeinanderfolgende Stufer, eines Herstellungsverfahrens für die Schaufel gemäß F i g. 1;
Fig.8 bis 10 aufeinanderfolgende Stufen eines abgewandelten Schaufelherstellungsverfahrens für die Schaufel gemäß F i g. 1.

F i g. 1 zeigt im Schnitt eine fertige Schaufel, die zusammen mit dem Kühllufteinlaßrohr 22 einstückig durch ein Feingußverfahren hergestellt ist Sie besteht aus dem Schaufelfuß 10, dem Schaufelschaft 11 mit innerer Plattform 12, dem Schaufelblatt 13 und dem Kühllufteinlaßrohr 22. Ein Loch 23 an der Schaufelspitze braucht nur so groß zu sein, daß der bei.η Guß benutzte Kern an beiden Enden abgestützt werden kann.

Jede der F i g. 2 bis 7 einschließlich repräsentiert den Formaufbau der benutzt wird, um die verschiedenen im Verfahren benützten Teile herzustellen.

Die Fig.2 und 3 veranschaulichen die Herstellung eines zusammengesetzten Teils, das bei der Herstellung eines Keramikkerns Verwendung findet. In F i g. 2 ist im Schnitt eine dreiteilige Form dargestellt, die aus den Teilen 30, 31 und 32 besteht, welche zusammenpassen um einen Hohlraum 33 zu schaffen, der etwa die Hälfte eines Schaufelblattmantels bildet, wobei zylindrische Vorsprünge 34 vorgesehen sind, die über die Dicke des Hohlraumes 33 verlaufen. In gleicher Weise zeigt F i g. 3 eine zweiteilige Form, bestehend aus den Formteilen 35 und 36. In diesem Fall passen die beiden Teile zusammen, um einen zentralen Hohlraum 37 zu bilden, durch den zylindrische Vorsprünge 38 verlaufen. Zur Herstellung der Mantelhälften 39, 40 eines rohrförmigen Einsatzkörpers 43 werden die beiden Formen zusammengebaut und es wird durch nicht dargestellte

Einspritzkanäle ein geeignetes Material eingespritzt, um die Hohlräume 33 und 37 auszufüllen. Dieses Material wird eingespritzt, während es noch im flüssigen Zustand befindlich ist, und danach IaBt man es erhärten.

Das Material kann z. B. Hartwachs oder ein thermoplastisches Material oder ein anderes Material sein, welches durch Hitzewirkung oder durch Lösung oder durch chemische Mittel zerstört oder entfernt werden kann. Das Material muß jedoch in der Lage sein, in flüssiger Form eingespritzt zu werden und es muß dann erhärten, um einen Körper zu bilden, der den Beanspruchungen des Herstellungsverfahrens widerstehen kann.

F i g. 4 zeigt, daß die beiden Mantelhälften 39 und 40, die durch die Hohlräume 33 und 37 hergestellt sind, die beiden Flanken des gelochten, zusammengesetzten, stromlinienförmig gestalteten rohrförmigen Einsatzkörper 43 bilden. Die Vorsprünge 34 haben entsprechende Löcher 41 in dem Teil 39 erzeugt, während die Vorsprünge 38 in dem Teil 40 Löcher 42 eingeformt haben. Als nächste Stufe im Herstellungsverfahren werden diese beiden Teite 39 und 40 durch ein Verfahren miteinander verbunden, das von der chemischen Zusammensetzung der beiden Teile abhängt. Gewisse Materialien sind in der Lage zusammengeklebt zu werden, während andere eine Erhitzung erfordern.

Der Einsatzkörper 43, wird dann in dem zentralen Hohlraum 44 einer weiteren dreiteiligen Form untergebracht, die aus den Teilen 45, 46 und 47 (F i g. 5) zusammengesetzt ist Dieser mittlere Hohlraum 44 besitzt einen oberen Abschnitt, dessen Gestalt aligemein jener der Außenseite des Körpers 43 entspricht, der jedoch flache kreisförmige Eindrückungen 48 besitzt, die mit der Lage jedes Loches 41 und 42 zusammenfallen. Am unteren Teil des Einsatzkörpers 43 besitzt der Hohlraum einen Absatz 49, auf dem der rohrförmige Einsatzkörper 43 ruht, und unter diesem Absatz dehnt sich der Hohlraum etwas aus, um einen Fortsatz 50 zu bilden, der drei Vorsprünge 51 aufweist, die sich über den Fortsatz 50 erstrecken und diesen in drei Kanäle unterteilen.

Diese Form wird in der gleichen Weise benutzt wie die Form nach F i g. 2, aber in diesem Falle wird ein beständigeres flüssiges Keramikmaterial durch die nicht dargestellten Eingußöffnungen in den Hohlraum 44 eingespritzt. Die jeweilige Zusammensetzung des Keramikmaterials kann sich beträchtlich ändern, aber normalerweise umfaßt das Material feinverteilte Partikel von Keramik, suspendiert in Wasser unter Zusatz von wasserlöslichen Kunstharzbasen. Demgemäß kann das flüssige Material in den Hohlraum eingespritzt werden, und es kann durch Erhitzung oder gelegentlich einfach durch Belassen an Ort und Stelle ausgehärtet werden

Der mit dem Keramikmaterial ausgefüllte Raum bildet das Innere des Einsatzkörpers 43, des Fortsatzes 50 und der öffnungen 41 und 42, die nach den Eindrückungen 48 führen. Auf diese Weise wird der Körper 43 mit dem Keramikstück 52 verbunden, welches so durch das Keramikmatorial erzeugt wurde, das durch die öffnungen 41 und 42 verläuft, um die Ausdrückungen 48 zu füllen und Keramikknopfe 53 zu schaffen.

Während des Einspritzens, was relativ hohe Einspritzdrücke des Keramikmaterials erfordern kann, wird der bruchempfindliche Einsatzkörper 43 sehr gut durch die Formteile abgestützt, deren innere Oberflächen mit dem Hauptteil der äußeren Oberfläche der Körner zusammenpassen.

Nachdem das Keramikmaterial ausgehärtet ist, kann der Teil 52 entfernt werden, indem die Formteile 45,46 und 47 getrennt werden. Der Teil 52 mit dem noch daran befestigten Einsatzkörper 43 wird dann in einer dritten Form während einer zweiten Stufe eines Keramikeinspritzverfahrens gehalten, wie aus F i g. 6 hervorgeht. Diese dritte Form besteht aus drei Formteilen 54,55 und 56, die einen inneren Hohlraum 57 bilden, dessen

ίο unterer Abschnitt die Form des Fortsatzes 50 besitzt, so daß dieser dicht mit jenem Abschnitt des Teils 52 zusammenwirkt, der durch den Fortsatz 50 gebildet ist. Auf diese Weise wird der Teil innerhalb der Form festgehalten, obgleich es erwünscht sein kann, eine ähnliche Anordnung am oberen Ende der Form vorzusehen.

Der Hauptteil des Hohlraums 57 ist in Gestalt des inneren Hohlraums geformt, der in der herzustellenden Schaufel enthalten sein soll. Demgemäß weist der Hohlraum einen stromlinienförmigen Querschnitt auf, dessen Vorderabschnitt und Mittelabschnitt ein gewisses Spiel zwischen dem äußeren Ausmaß der Knöpfe 53 und der Wandung des Hohlraumes bewirkt, und dessen Hinterabschnitt gegenüberliegende zylindrische Stifte 58 aufweist, die von den Teilen 54 und 56 vorstehen, um sich längs einer Scheidelinie zu treffen.

Das Keramikmaterial wird in den Hohlraum 57 in genau der gleichen Weise eingespritzt wie bei dem vorangegangenen Keramikeinspritzverfahren. In diesem Fall füllt das Keramikmaterial den Hohlraum aus, und wegen der vorstehenden Keramikknöpfe 53 erfolgt eine wirksame Verbindung an dem Teil 52. Die Gesamtform des Keramikstückes, das auf diese Weise hergestellt wurde, ist grob stromlinienförmig mit einem Einsatzkörper 43 darin eingebettet, und mit Kanälen, die sich nach dem rückwärtigen Abschnitt erstrecken und durch Stifte 58 geformt werden.

Nachdem das so hergestellte Keramikstück ausgehärtet ist, kann es aus der Form durch Auseinandernehmen der Teile 54,55 und 56 entnommen werden. Der Teil 59, der aus der Form entfernt wird, besitzt den Einsatzkörper 43, und bevor dieser Teil in einem Gießverfahren benutzt wird, ist es notwendig, den Einsatzkörper 43 zu entfernen. Für thermoplastische oder verbrennbare Materialien wird Hitze benutzt, während für lösbare Materialien ein Lösungsmittel zur Anwendung kommt.

Dann wird der Keramikkern 59 in Verbindung mit einem herkömmlichen Gießverfahren mit verlorener Form benutzt, um die Schaufel herzustellen. Nur die erste Stufe dieses Verfahrens ist in F i g. 7 dargestellt. Der Kern 59 ist innerhalb eines weiteren Hohlraumes 60 abgestützt, der durch eine weitere dreiteilige Form definiert wird, die aus den Teilen 61, 62 und 63 besteht. Die Form dieses Hohlraums ist so, daß sie der Außenoherfläche der herzustellenden Schaufel entspricht. Zusätzlich zu einem stromlinienförmig gestalteten Abschnitt, der dicht den oberen Teil des Kerns 59 umgibt, besitzt der Hohlraum 60 außerdem einen Abschnitt 64, der die Form der Schaufelplattform definiert, einen Abschnitt 65, der den Schaufelschaft definiert, einen Abschnitt 66, der den Rohling definiert, aus dem der Schaufelfuß spanabhebend bearbeitet wird, und einen Abschnitt 67, der den unteren Teil des Fortsatzes von dem Kern 59 erfaßt, um die Kerne 59 in der Form festzulegen. In diesen Hohlraum wird geschmolzenes Wachs durch Eingußkanäle (nicht dargestellt) injiziert, um ein Wachsduplikat des herzustellenden GußkörDers zu schaffen, in dem Her Kprn TO

eingebettet liegt, das dazu dient die inneren Hohlräume innerhalb der Schaufel zu definieren. Gemäß dem normalen Verfahren mit verlorener Gießform wird dieses Wachsmodell dann mit Keramikmaterial umschlossen, um eine Form zu bilden und dann wird das Wachs ausgeschmolzen und durch geschmolzenes Metall ersetzt, um die gewünschte Schaufelfcrm herzustellen. Die Schaufel, die auf diese Weise gegossen wird, weist einen hohlen stromlinienförmigen Abschnitt auf, dessen Gestalt anfänglich durch den Raum zwischen dem Kern 59 und der Oberfläche des Hohlraums 60 definiert ist. und die Schaufel weist ein aerodynamisch gestaltetes Rohr auf, welches im hohlen Inneren angeordnet ist und dessen Gestalt durch die Hohlräume definiert ist, die innerhalb der Kerne 59 durch den Einsatzkörper 43 gebildet ist. Auf diese Weise kann είπε Schaufel gegossen werden, die ein der Aufprallkühlung dienendes Lufteinlaßrohr aufweist, das einstückig mit der Schaufel hergestellt ist und die Vorteile aufweist, die vorstehend in Verbindung mit Fig.! erwähnt wurden.

Die F i g. 8 bis 10 veranschaulichen ein abgewandeltes Herstellungsverfahren. Zur Vereinfachung zeigen diese Ansichten nur einen Querschnitt. Fig.8 zeigt eine zweistückige Form, die aus den Teilen 70 und 71 besteht und einen Hohlraum 72 definiert, wenn die Teile zusammengefügt sind. Der Hohlraum 72 hat die Form der Innenseite des herzustellenden Kühlluftzufuhrrohres zusammen mit einem Abschnitt ähnlich dem Abschnitt 50, und die Eindrückungen 73 im Hohlraum 72 entsprechen den öffnungen, die schließlich in den Kühlluftrohrwänden erforderlich sind.

In den Hohlraum 72 wird ähnlich wie bei der Stufe gemäß F i g. 5 und 6 Keramikmaterial eingespritzt, und dieses läßt man erhärten und es wird dann aus der Form entnommen. Auf diese Weise wird ein erster Keramikkern 74 erzeugt, der dem Kern 52 gemäß F i g. 5 entspricht. Dieser Kern wird in einer weiteren zweiteiligen Form gemäß F i g. 9 gehaltert, die aus den Teilen 75 und 76 besteht, welche den Hohlraum 77 definieren, dessen Form der äußeren Oberfläche des erforderlichen Kühlluftrohres entspricht. Der Kern 74 und der Hohlraum 77 dazwischen definieren einen Raum, dessen Form der Form des Kühlluftrohres selbst entspricht.

In diesen Raum wird ein entfernbares Material eingespritzt, ähnlich wie in Verbindung mit F i g. 2 und 3 beschrieben, und dieses eingespritzte Material läßt man erhärten. Das zusammengesetzte Kernstück, welches aus dem Kern 74 und den Einsatzkörper 78 besteht, wird dann aus den Formteilen 75 und 76 entnommen, und wiederum in einer weiteren zweiteiligen Form angeordnet, die aus den Teilen 79 und 80 gemäß Fig. lObest'-ht. Dieser Innenhohlraum 81 hai die Gestalt des hohlen Inneren der Schaufel, und durch Einspritzen des gleichen Keramikmaterials in den Raum zwischen dem zusammengesetzten Kernteil und der Form wird ein Kern 82 erzeugt, der dem Kern 5S entspricht und der Einsatzkörper 78 wird wie oben ausgeführt, entfernt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß weniger Formteile benötigt werden als bei dem vorbeschriebenen Verfahren, jedoch ist dabei zu berücksichtigen, daß es notwendig werden kann eine spezielle Vorsorge zu treffen, um zu gewährleisten, daß die Vorsprünge, die in den Eindrückungen 73 ausgebildet sind, fest an dem Keramikmaterial anhaften, das in den Hohlraum eingespritzt wird.

Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung einer Schaufel, die einen einstückigen Aufbau besitzt und die Vorteile aufweist, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurden. Die Schaufel kann mit einer äußeren Schaufelplattform versehen werden, und das Kühlluftrohr kann benutzt werden, um nur einen kleineren Teil der Schaufel zu kühlen statt den Hauptteil des gekühlten Innenraumes, wie es bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall war.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks beschrieben. Sie kann jedoch auch für andere Schaufelbauteile, beispielsweise für Statorschaufeln Anwendung finden. Insbesondere könnte die Erfindung beispielsweise Anwendung finden zur Herstellung von Düsenleitschaufeln.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Luftgekühlte Hohlschaufel für Gasturbinen mit einem im Schaufelblatthohlraum angeordneten Lufteinlaßrohr, welches mit dem Schaufelblatt und dem Schaufelfuß ein integrales Feingußstück bildet, wobei das Lufteinlaßrohr mit dem Schaufelblatt im Bereich des Schaufelfußes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lufteinlaßrohr (22) frei in den Schaufelblatthohlraum ragt und mit einer Vielzahl von über die Oberfläche verteilten Luftdurchtrittsöffnungen versehen ist

2. Verfahren zum Feingießen einer Hohlschaufel gemäß Anspruch 1, unter Verwendung verlorener Keramikkerne, dadurch gekennzeichnet, daß in den den Schaufelhohlraum bildenden Keramikkern ein rohrförmiger, das Kühllufteinlaßrohr (22) bildender Einsatzkörper (43; 78) eingeforrnt wird, der vor dem Guß aus dem Keramikkern ausgeschmolzen oder ausgeätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der rohrförmige Einsatzkörper (43) in einer ersten Form (30, 31, 32; 35, 36) hergestellt wird, daß dieser Einsatzkörper (43) dann in einer zweiten Form (45,46,47) mit Keramikmaterial ausgegossen wird, und daß in einer dritten Form der Kernaußenmantel (59) angeformt wird, wobei der innere Keramikkern mit dem Keramikkernmantel über Distanzierungsstege verbunden wird, die durch Löcher (41; 42) des Einsatzkörpers (43) gebildet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper (43) in zwei Einzclstücken (39,40) geformt wird, die dann zu dem geschlossenen rohrförmigen Einsatz vereinigt werden.