DE3210433A1 - Verfahren zur herstellung eines schaufelblattes fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines schaufelblattes fuer ein gasturbinentriebwerk

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Description

Patentanwälte * „:' ..'· JDipJ!.-Jpg:IC(irt Wallach
c ... . _ + t f + .:..«.. D1]DlVlngr°Q:unther Koch
Europaische Patentvertreter ' α
Οφ . AW Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach
European Patent Attorneys 1^ ^
Dipl.-lng. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d
22. März 1982
Unser Zeichen:
Datum:
17 416 - K/Ap
Rolls-Royce Limited
65 Buckingham Gate
London SW1E 6AT(England)
Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblattes für ein Gasturbinentriebwerk
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblattes für ein Gasturbinentriebwerk .
Es ist gegenwärtig üblich, dies Verfahren mit verlorenem Wachs in Verbindung mit Keramikkernen zu benutzen, um Schaufelblätter mit exakter äußerer Form und komplexer innerer Ausbildung mit Kühlkammern und Kanälen herzustellen. Dennoch ergeben sich einige Schwierigkeiten bei den bekannten Gießverfahren. Eine solche Schwierigkeit besteht darin, die sehr engen Kanäle herzustellen, durch die die Kühlluft nach der Oberfläche des Schaufelblattes abströmen kann, und zwar entweder als Kühlfilm oder einfach als Luftstrahl verbrauchter Kühlluft, die aus dem Hinterrand des Schaufelblattes austritt.
Gegenwärtig werden diese Kanäle gewöhnlich spanabhebend hergestellt, nachdem die Schaufel gegossen' ist. Hierdurch werden jedoch die Herstellungskosten der Schaufel erhöht.
Die Umstände, die ein direktes Gießen derartiger Werkstücke ausschließen, liegen in der Schwierigkeit der Herstellung der erforderlichen kleinen Keramikkerne, die beim Entfernen aus der Form' nicht brechen dürfen, und außerdem in der Zerbrechlichkeit der Kerne, was zu einem Brechen beim Gießen führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblattes zu schaffen, mit welchem solche schmalen Kanäle gegossen werden können, wobei eine Technik verwendet wird, die die beschriebenen Nachteile vermeidet.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblattes für ein Gasturbinentriebwerk, wobei das Schaufelblatt Kühlluftaustrittskanäle aufweist.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein verlorenes Teil mit Löchern hergestellt wird, die die gleiche Form wie die Austrittsöffnungen besitzen, daß das verlorene Teil in eine Form eingesetzt wird, die einen ersten inneren Hohlraum mit einer Gestalt besitzt, die dem Hohlraum innerhalb des Schaufelblattes entspricht, daß die Form einen zweiten Hohlraum aufweist, in den das verlorene Teil einpaßt, daß die Form einen dritten Hohlraum aufweist, der einen Kanal bildet, welcher die freien Enden der Löcher
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des verlorenen Teils verbindet, daß Keramikmasse eingespritzt wird, um die drei Hohlraumabschnitte auszufüllen, daß die Keramikmasse aushärtet, daß die Teile von der Form getrennt werden, daß der Keramikkern, der auf diese Weise hergestellt wird, aus der Form entfernt wird, daß das verlorene Teil aus der Keramikmasse entfernt wird, daß der so hergestellte Keramikkern in einer weiteren mehrteiligen Form eingesetzt wird, die einen Hauptraum aufweist, dessen Form der äußeren Oberfläche des Schaufelblattes entspricht, und die einen zweiten Hohlraum aufweist, in dem die Keramikform mit den Öffnungsabschnitten einpaßt, daß Wachs eingespritzt wird, um den Haupthohlraum innerhalb der Form auszufüllen, daß man das Wachs erstarren läßt und das so gebildete Wachsmodell aus der Form entfernt, daß eine Keramikumhüllung auf der äußeren Oberfläche des Modells angeformt wird, daß die Keramikumhüllung an dem mit öffnungen versehenen Abschnitt des Keramikkerns angreift, daß geschmolzenes Metall in die Umhüllungsform eingegossen wird, die auf diese Weise gebildet wurde, und daß man das Metall erstarren läßt und die Keramikform und den Kern von dem so gegossenen Schaufelblatt entfernt.
Das verlorene Teil kann selbst in einer mehrteiligen Form hergestellt werden und die Löcher darin können durch Stifte geformt werden, die von den Formteilen so vorstehen, daß sie in der Verbindungsebene einander berühren. Die Löcher können geradlinig oder in anderer Weise gestaltet sein.
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Das verlorene Teil kann durch Erhitzung oder durch Auflösen oder durch chemische Angriffe entfernt werden .
Nachstehend wird ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen :
Fig. 1 einen Schnitt durch eine mehrteilige Form für ein verlorenes Teil;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des verlorenen Teils, welches in der Form gemäß Fig. 1 hergestelIt ist;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine weitere mehrteilige Form, in der das verlorene Teil gemäß Fig. 2 angeordnet ist;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines
Keramikkerns, der in der Form nach Fig. hergestellt ist, und an dem das verlorene Teil noch befestigt ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Kerns
gemäß Fig. 4, nachdem das verlorene Teil entfernt ist;
Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere mehrteilige Form, bei der der Kern gemäß Fig. 5 benutzt wird ;
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Fig. 7 das Wachsmodell, welches in der Form gemäß Fig. 6 hergestellt wurde,und welches eine Umhüllung aus Keramikmaterial aufweist,und in dem der Kern gemäß Fig. 5 eingebettet ist;
Fig. 8 die Umhüllungsform die verbleibt, wenn das umhüllte Wachsmodell gemäß Fig. 7 ausgeschmolzen worden ist;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines fertigen Schaufelblattes, welches in der Form gemäß Fig. 8 hergestellt wurde
Figur 1 zeigt eine zusammengesetzte Form, die aus zwei Teilen 10 und 11 besteht, die zwischen sich einen im wesentlichen rechteckigen Hohlraum 12 definieren. Mehrere Stifte 13 und 14 stehen von den Teilen 16 bzw. 11 vor und treffen sich in der Teilungsebene 15 der Formteile, um durchgehende Stifte zu schaffen, die über den gesamten Hohlraum 12 verlaufen. Durch einen Eingußkanal 16 kann das Material des verlorenen Teils in den Hohlraum 12 eingespritzt werden.
Das Material des verlorenen Teils, welches beispielsweise aus einem thermoplastischem Material oder einem wasserlöslichen Kunststoff besteht, wird durch den Eingußkanal in flüssiger Form eingespritzt, so daß der Hohlraum 12 vollständig ausgefüllt wird. Dann läßt man das Material erhärten. Wenn das Material ein Thermoplast ist, dann kann das Material einfach abkühlen und härtet dann
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aus, und ansonsten kann Wärme benötigt werden, um das Material auszuhärten.
Wenn das Material des verlorenen Teils hart geworden ist, kann es aus der Form dadurch entfernt werden, daß die beiden Formhälften 10 und 12 geöffnet werden, so daß die Stifte herausgezogen werden. Das auf diese Weise hergestellte verlorene Teil ist in Figur 2 dargestellt und es besteht aus einem im wesentlichen rechteckigen Block 17 mit einer Vielzahl von Löchern 18, die zwischen den gegenüberllegenden.Längsflächen des Blocks verlaufen. Eine Fläche ist außerdem bei 19 mit einer in Längsrichtung verlaufenden Vertiefung versehen, die schließlich den extremen Hinterrandabschnitt des Keramikkerns formt, wozu das verlorene Teil 17 benutzt wird. Es kann erforderlich sein, Kernreste zu entfernen, die zwischen den stumpf aneinander gefügten Enden der Stifte 13 und 14 in der Teilungsebene 15 gebildet wurden.
Dann wird der Block 17 in eine zweite zweiteilige Form gemäß Figur 3 überführt. Die Form besteht aus zwei Teilen 20 und 21, und die Teile definieren zwischen sich einen einzigen Hohlraum. Dieser Hohlraum kann jedoch angesehen werden als aufgebaut aus drei Hohlraumabschnitten 22, 23 und 24. Der Haupthohlraum 22 hat die Form die erforderlich ist, um den inneren Kühl luftkanal innerhalb des Schaufelblattes zu bilden und er geht in den zweiten Abschnitt 23 über, der so gestaltet ist, daß er genau um den Block 17 herum paßt. Der Block 17 wird in den Hohlraum
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so eingelegt, daß die Ausnehmung 19 einen Fortsatz des llohlraumabschnitts 22 bildet und in die Löcher 18 führt, die demgemäß mit dem dritten Hohlraumabschnitt 24 in Verbindung stehen. Dieser dritte Abschnitt umfaßt einen Kanal, der die freien Enden aller Löcher 18 verbindet und sein Hauptzweck besteht darin, einen Teil eines Kerns zu bilden, der den zerbrechlichen Teil des Keramikkerns verstärkt, welcher die Kanäle im Schaufelblatt ausbildet.
Der Formteil 20 besitzt einen Eingußkanal 25, durch welchen der Keramikschlamm eingespritzt werden kann, um den Hohlraum 22, die Löcher 18 und demgemäß den Hohlraum 24 auszufüllen. Der Keramikschlamm kann ein wasserlösliches Kunstharz enthalten, welches dann in einen Rohzustand aushärtet, nachdem die Einspritzphase vollendet ist, jedoch ist es in jedem Falle ■ erforderlich, daß das Keramikmaterial härtet, um einen massiven Kern zu bilden. Dieser Kern 26 wird dann aus der Form dadurch entfernt, daß die beiden Hälften und 21 voneinander getrennt werden. Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß der Block 17 immer noch einen Teil des Kerns in diesem Zustand bildet und er eine notwendige Funktion insofern hat als die unvermeidbar zerbrechlichen Teile des Keramikkerns 26 gegen die Spannungen abgestützt werden, die beim Trennen des Kerns aus den Formhälften 20 und 21 auftreten.
Dann wird der Kern 26 gebrannt, um das Keramikmaterial zu sintern und in der gleichen Stufe oder in einer getrennten Stufe wird der Block des verlorenen Teils 17 vom Keramikmaterial entfernt. Wenn das verlorene
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Material ein thermoplastisches Material oder ein entflammbares Material ist, dann zerstört die Ausbrennstufe auch den verlorenen Block. Es kann jedoch auch ein Lösungsvcrfahren oder ein anderes Verfahren benutzt werden, um die Blöcke zu entfernen. Der fertige Kern ist aus Figur 5 ersichtlich. Er weist einen Hauptkörper 27, eine Reihe feiner Keramikstifte 28 und einen Kanalabschnitt 29 auf, der die freien Enden der Stifte 28 verbindet, um eine Art Leiteraufbau zu schaffen.
Es kann dann erforderlich sein, die Oberfläche zu glätten, um vorspringende Teile zu entfernen. Dies kann beispielsweise an der Verbindung zwischen der Vertiefung 19 und dem Hohlkörperabschnitt 22 auftreten. Eine Glättung an dem Hauptteil 27 des Kerns kann relativ einfach durchgeführt werden. Wenn jedoch der Versuch unternommen wird, die Stifte 28 in einer Form herzustellen, ohne den Block 17 zu benutzen, dann besteht die Wahrscheinlichkeit, daß Vorsprünge und Gußansätze bestehen und es kann aus Festigkeitsgründen erforderlich sein, diese zwischen den Stiften 28 anzuordnen. Derartige Kernansätze lassen sich jedoch nur schwer entfernen, ohne die Stifte zu beschädigen.
Dann wird der fertige Kern in einer dritten, zweiteiligen Form eingesetzt, die aus den Teilen 30 und 31 besteht. Diese Teile definieren einen Hohlraum 32, dessen Gestalt der Gestalt der fertigen Schaufel entspricht, der jedoch außerdem bei 33 einen Kanalabschnitt besitzt, in dem der entsprechende Teil 29
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des Kerns einpaßt. Der Kern wird, wie aus Figur 6 in der Form gehalten, und es wird geschmolzenes Wachs unter Druck durch den Eingußkanal 34 eingespritzt, um jenen Teil des Hohlraumes 32 auszufüllen, der vom Kern 26 nicht ausgefüllt wird. Dies ergibt, wie dargestellt, stromlinienförmig gestaltete Wände im wesentlichen konstanter Dicke, die den Kern umgeben.
Dann läßt man als nächstes das Wachs abkühlen und erstarren, und es wird aus der Form entfernt, indem wiederum die Formhälften getrennt werden. Das so gebildete Wachsmodell wird dann mit einer Keramikumhüllung 35 auf der äußeren Oberfläche überzogen, wie aus Figur 7 ersichtlich. Dies wird in mehreren Stufen durchgeführt, in denen das Wachsmodell in einen Keramikschlamm eingetaucht wird, und das eingetauchte Modell wird dann mit teilchenförmigem Keramikmaterial durch "Beregnung" überzogen. Diese Verfahrensschritte werden wiederholt bis die Keramikumhüllung sich in einer genügenden Stärke aufgebaut hat, und dann läßt man die Umhüllung abtrocknen. Weil der Kanalabschnitt 33 des Kerns nicht mit Wachs beim Wachseinspritzverfahren überzogen wird, wird dieser Abschnitt der Keramikumhüllung direkt ausgesetzt und paßt dicht in die Umhüllung ein.
Das umhüllte Wachsmodell wird als nächstes so behandelt, daß das Wachs entfernt und die Keramikumhüllung gebrannt wird. Es ist möglich, diese beiden Verfahrensstufen in einem einzigen Erhitzungsprozeß durchzuführen, weil das Wachs natürlich schmilzt wenn es erhitzt wird.
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Es ist jedoch bekannt, daß es erforderlich ist Vorkehrungen zu treffen, daß die Ausdehnung des Wachses die Keramikumhüllung nicht aufreißt. Figur 8 zeigt die gebrannte Umhüllungsform 35. Daraus ist ersichtlich, daß zwischen dem Kern 26, der durch das Brennen unbeeinflußt blieb, und der Umhüllung ein Hohlraum 36 verbleibt, der die gleiche Form hat wie das Wachsmodel 1.
In diesen Hohlraum 36 wird geschmolzenes Metall eingegossen um den Hohlraum auszufül len ,und man läßt dieses Metall dann erstarren. Während dieser Verfahrensstufe können die auf dem Keramikkern lastenden Kräfte schon beträchtlich sein, jedoch die Abstützung der Stifte 28 vom Hauptteil 27 des Kerns und vom Kanalabschnitt 29 nimmt an dieser Stelle die Belastungen mit auf. Nachdem das Metall erstarrt ist, kann die Keramikumhüllung 35 und der Kern 26 vom metallischen Schaufelblatt entfernt werden. Die Umhüllung wird normalerweise durch mechanische Mittel entfernt. Da der Kern in dem Metall jedoch eingebettet ist, kann es notwendig sein eine chemische Auslaugung vorzunehmen, indem hochätzendes Soda oder ein anderes Reagenz Verwendung findet.
Die fertig gegossene Schaufel ist in Figur 9 dargestellt Hieraus ist ersichtlich, daß das Verfahren ein hohles Schaufelblatt 37 erzeugt hat, welches einen inneren Hohlraum 38 besitzt, wobei Kühlluftaustrittslöcher den Hohlraum 38 mit dem Hinterrand der Schaufel verbinden, so daß Kühlluft aus dem Hohlraum an der Hinterkante abgeblasen werden kann. Das Schaufelblatt ist
dann bereit zur Endbearbeitung und es kann mit Plattformen mit einem Schaft und mit einem Schaufelfuß versehen werden, wenn dies erforderlich ist.
Gemäß dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wurde nach dem Verfahren lediglich das Schaufelblatt hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, die anderen Teile der Schaufel einstückig mit dem Schaufelblatt herzustellen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sehr (joehjnel, i.\\v llorsl.ol 1 uny der Ausb 1 asttfCnungori am Hinterrand, jedoch kann das Verfahren auch benutzt werden, um andere Löcher herzustellen, beispielsweise Filmkühllöcher im Schaufelblatt. Die vorstehende Beispielsbeschreibung bezieht sich auf ein sehr einfaches Schaufelblatt mit einem einzigen großen Hohlraum. Dies dient jedoch nur der Vereinfachung der Beschreibung, und in der Praxis ist es wahrscheinlich, daß das Innere des Schaufelblattes sehr viel komplizierter ausgebildet ist.
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Claims (5)

Patentanwälte * .*" .*· .DiplAlnd^Cürt Wallach Europäische Patentvertreter '"' *"*" DTpI." Ing" eü'nther Koch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 22. März 1982 Rolls-Royce Limited unser zeichen: 17 416 - K/Ap Buckingham Gate London SW1E 6AT / England Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblattes für ein Gasturbinentriebwerk Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Schaufelblattes für ein Gasturbinentriebwerk, wobei das Schaufelblatt Kühlluftaustrittsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein verlorenes Teil (17) mit Löchern (18) hergestellt wird, die die gleiche Form wie die Austrittsöffnungen besitzen, daß das verlorene Teil (17) in eine Form (20,21) eingesetzt wird, die einen ersten inneren Hohlraum (22) mit einer Gestalt besitzt, die dem Hohlraum innerhalb des Schaufelblattes entspricht, daß die Form einen zweiten Hohlraum (23) aufweist, in den das verlorene Teil (17) einpaßt, daß die Form einen dritten Hohlraum (24) aufweist, der einen Kanal bildet, welcher die freien Enden der Löcher des verlorenen Teils verbindet, daß Keramikmasse eingespritzt wird, um die drei Hohlraumabschnitte auszufüllen, daß die Keramikmasse aushärtet, daß die Teile von der Form getrennt werden, daß der
Keramikkern (26), der auf diese Weise hergestellt wird, aus der Form entfernt wird, daß das verlorene Teil (17) aus der Keramikmasse entfernt wird, daß der so hergestellte Keramikkern in einer weiteren mehrteiligen Form (30,31) eingesetzt wird, die einen Hauptraum (32) aufweist, dessen Form der äußeren Oberfläche des Schaufelblattes entspricht', und die einen zweiten Hohlraum (33) aufweist, in dem die Keramikform mit den Öffnungsabschnitten einpaßt, daß Wachs eingespritzt wird, um den Haupthohlraum innerhalb der Form auszufüllen, daß man das Wachs erstarren läßt und das so gebildete Wachsmodell aus der Form entfernt, daß eine Keramikumhüllung (35) auf der äußeren Oberfläche des Modells angeformt wird, daß die Keramikumhüllung an dem mit öffnungen versehenen Abschnitt des Keramikkerns angreift, daß geschmolzenes Metall in die Umhüllungsform eingegossen wird, die auf diese Weise gebildet wurde, und daß man das Metall erstarren läßt und die Keramikform (35) und den Kern (26) von dem so gegossenen Schaufelblatt entfernt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das verlorene Teil durch Spritzguß in einer mehrteiligen Form (10,11) hergestelIt wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher von Stiften (12,14) gebildet werden, die von jedem der Teile (10,11) über den Hohlraum verlaufen, wobei die Stifte von einem Teil getragen werden und an ihren Enden an die Stifte anstoßen, die von dem anderen Teil getragen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (13,14) gerade sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material des verlorenen Teils so gewählt wird, daß es durch Erhitzung oder Lösung, oder durch chemische Angriffe entfernt werden kann.
DE3210433A 1981-03-25 1982-03-22 Verfahren zur Herstellung einer verlorenen Gießform zur Produktion einer Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk Expired DE3210433C2 (de)

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