DE3210433A1 - Verfahren zur herstellung eines schaufelblattes fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines schaufelblattes fuer ein gasturbinentriebwerkInfo
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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)
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.
■: 3 2-1 di 3
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 ;
3 2··] 0*4 3
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
Λ33
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.
AS
Leerseite
Claims (5)
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.
;G-433
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.
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