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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer dünnwandigen Düse bzw.
Turbinenschaufel für
eine Gasturbine und insbesondere auf ein Verfahren der Anwendung
einer Funkenerosionsbearbeitungs- bzw. Electrodischarge Machining(EDM)-Vorrichtung
zur Verringerung der Dicke von Turbinenschaufelwänden bei einer Verarbeitung
nach dem Gießen
unter Verwendung einer EDM-Vorrichtung zum Entfernen von Material
von einer inneren Wand eines Hohlraums, der sich innerhalb einer
Turbinenschaufel und zwischen gegenüberliegenden Enden derselben
erstreckt, um die thermischen Beanspruchungen zu reduzieren und
die Gießergebnisse
zu verbessern.
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In
Gasturbinenkonstruktionen bilden axial beabstandete, ringförmige Reihen
von Düsen
bzw. Schaufeln die Düsenstufen
der Turbine, und jede Reihe besteht aus Düsensegmenten, die in Umfangsrichtung
um die Achse des Turbinenrotors herum angeordnet sind. Jedes Düsensegment
enthält eine
oder mehrere Leitschaufeln und Innen- und Außenbandabschnitte, die vorzugsweise
einstückig
aus einem Gussmaterial, z.B. einer nickelbasierten Legierung, gebildet
sind. In die Düsenleitschaufel(n) sind
zwischen den Bandabschnitten Hohlräume eingegossen, um ein Kühlmittel
zum Kühlen
der Schaufeln zu leiten. Eine solche Turbinenschaufel und ein Verfahren
zur Bildung einer dünnwandigen
Schaufel sind aus dem Dokument
US
3 504 810 bekannt, das den Oberbegriff des Anspruchs 1
offenbart. Es wird erkannt, dass zwischen dem thermischen Medium, dass
in dem Schaufelhohlraum strömt,
und den heißen
Verbrennungsgasen, die entlang des Heißgaspfades der Turbine strömen, eine
Temperaturdifferenz besteht. Diese Temperaturdifferenz verursacht thermische
Spannungen in dem Material der Schaufel. Durch eine Verringe rung
der Wanddicke zwischen der Innenoberfläche des Hohlraums und der Außenoberfläche der
Schaufel und insbesondere in der Nähe der Vorderkante der Schaufel
können
diese thermischen Spannungen, die durch die Temperaturdifferenzen
verursacht werden, minimiert werden. Dünnwandige Investment Casting-
bzw. Feingussstücke
für Düsen sind
jedoch schwierig herzustellen. Die Toleranzeinhaltung sowie die
Fehlerlosigkeit des Materials werden durch die Wanddicke beeinflusst. Allgemein
ist es umso schwieriger, die Schaufel zu gießen, je dünner die Wand ist, was zu verschlechterten
Gießergebnissen
führt.
Dementsprechend ist Bedarf an einem Verfahren zur Verringerung der
Wanddicke von Turbinenschaufeln entstanden, das nicht nur die thermischen
Spannungen reduziert, sondern auch die Gießergebnisse verbessert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer dünnwandigen Schaufel für eine Gasturbine
nach Anspruch 1 geschaffen. Insbesondere wird ein Funkenerosionsbearbeitungsverfahren
nach dem Gießen
verwendet, um Material von der Innenwand des Schaufelhohlraums zu
entfernen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das
EDM-Verfahren eine dünne
Elektrode, die innerhalb des Hohlraums der Schaufel angeordnet und entlang
der Innenwand des Hohlraums beweglich ist, um Material zu entfernen
und dadurch die Wanddicke auf eine erwünschte Dicke zu reduzieren.
Durch die Durchführung
dieses Bearbeitungsvorgangs im Anschluss an das Gießen der
Düse werden
die Einhaltung der Gusstoleranz und die Fehlerlosigkeit des Materials
wesentlich verbessert, was zu verbesserten Gießergebnissen führt, während gleichzeitig durch
die sich ergebende, verringerte Wanddicke die gewünschte Verringerung
thermischer Spannungen erreicht wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann auch ein EDM-Verfahren, das eine
Elekt rode in der Form eines Profils benutzt, und ein Einstechverfahren
verwendet werden. In dieser Ausführungsform
wird ein Profil, das eine Oberfläche
in Übereinstimmung
mit der endgültigen
Kontur der Innenwandoberfläche
des Hohlraums aufweist, an die innere Wand des Hohlraums angelegt.
Wenn das Profil gegen die innere Hohlraumwand vorwärts bewegt
wird, wird Material entfernt, so dass die Oberfläche des Profils und die Innenwandoberfläche im Wesentlichen
komplementär
werden. Die Vorwärtsbewegung
des Profils wird fortgesetzt, bis die gewünschte Wanddicke erreicht worden
ist.
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In
beiden bevorzugten Ausführungsformen kann
auch eine aufgeraute Innenwandoberfläche gebildet werden. Zum Beispiel
können
auf der Elektrodenoberfläche
Vorsprünge
ausgebildet werden, um eine aufgeraute dünne Elektrode zu schaffen,
die verwendet werden kann, wodurch die Bewegung der aufgerauten
Elektrode entlang der Innenwand des Hohlraums eine endgültige Innenwandoberfläche mit einer
komplementären
aufgerauten Oberfläche
bildet. Das Profil kann in ähnlicher
Weise eine aufgeraute Oberfläche
aufweisen, so dass die Endkontur der Innenwandoberfläche des
Hohlraums in ähnlicher
Weise wie die aufgeraute Oberfläche
des Profils komplementär
aufgeraut sein wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer dünnwandigen
Düsenschaufel für eine Gasturbine
geschaffen, wobei die Schaufel einen Hohlraum aufweist, der sich
zwischen dem radial inneren und dem äußeren, gegenüberliegenden Ende
der Schaufel öffnet,
wobei das Verfahren die Schritte des Gießens der Düse, die den Hohlraum enthält, und
des Entfernens von Gussmaterial entlang einer Innenwand des Hohlraums
nach dem Gießen
unter Verwendung einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung enthält, die
eine Elektrode aufweist, um eine endgültige Innenwandoberfläche zu bilden,
wodurch die Dicke der Wand zwischen einer Außenoberfläche der Schaufel und der endgültigen Innenwandoberfläche des
Hohlraums verringert wird.
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Die
Erfindung wird nun im Rahmen von Beispielen unter Bezug auf die
Zeichnungen genauer beschrieben:
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Düsensegmentes, das eine Elektrode
einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung in einer Stellung zur
Entfernung von Material aus dem inneren Hohlraum einer Düsenleitschaufel
des Segmentes darstellt,
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2 zeigt
eine bruchstückhafte,
schematische Darstellung des Vorderkantenhohlraums der Leitschaufel,
wobei die Darstellung die Innenwand des Hohlraums vor und nach dem
Bearbeitungsvorgang jeweils durch die Lage der gestrichelten bzw. der
durchgezogenen Linie darstellt,
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3 zeigt
eine bruchstückhafte
Draufsicht, die das Außenband
des Segmentes und das Innere des Vorderkantenhohlraums der Leitschaufel
mit Bezugspunkten darstellt, die das zu entfernende Material kennzeichnen,
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4 zeigt
eine vergrößerte bruchstückhafte
Querschnittsansicht, die eine Elektrode eines EDM-Gerätes zur
Erzeugung aufgerauter Oberflächen
entlang der inneren Wand des Hohlraums darstellt,
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5 zeigt
eine der 1 ähnliche Ansicht, die ein EDM-Verfahren unter Verwendung
einer Elektrode in Form eines Profils zum Einstechen bzw. Plunge
Cutting in der inneren Hohlraumwand darstellt, und die
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6A und 6B sind
Darstellungen eines Einstechbearbeitungsvorgangs unter Verwendung
des Profils vor bzw. nach dem Bearbeitungsvorgang.
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Mit
Bezug auf 1: Es ist ein allgemein mit 10 bezeichnetes
Düsensegment
dargestellt, das einen Innen- und einen Außenbandabschnitt 12 und 14 aufweist,
die den gegenüberliegenden
Enden einer einzelnen Düsenleitschaufel 16 benachbart
sind. Es wird erkannt, dass das dargestellte Düsensegment eines aus einer
Vielzahl von Düsensegmenten
ist, die in einer Umfangsrichtung verlaufenden Reihe aus denselben
um eine Rotorachse herum angeordnet sind, um mit den Innen- und
Außenbandabschnitten 12 und 14,
die Abschnitte des Innen- und Außenbandes der Düsenstufe
bilden, eine Düsenstufe
einer Turbine zu bilden. Während
zwischen dem Innen- und dem Außenbandabschnitt 12 und 14 eine
Einzelleitschaufel 16 dargestellt ist, wird erkannt, dass
zwischen den Bandabschnitten auch zwei oder mehr Leitschaufeln angeordnet
sein können,
um z.B. eine Doppel- oder Dreifachleitschaufel zu bilden. Die Düsenleitschaufel 16 sowie
der Innen- und der Außenbandabschnitt 12 und 14 weisen
wie dargestellt innere Hohlräume
auf, die sich entlang der Länge
der Leitschaufel erstrecken. Wie in 1 dargestellt,
ist z.B. ein Vorderkantenhohlraum 18 vor mittleren Hohlräumen 20, 22, 24 und
einem Hinterkantenhohlraum 26 dargestellt. Obwohl es keinen
Teil dieser Erfindung bildet, wird erkannt, dass die Hohlräume Durchgänge zur
Leitung eines thermischen Mediums zum Kühlen des Innen- und des Außenbandes
und der Leitschaufeln schaffen, die den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt
sind, die entlang des Heißgaspfades
durch die Turbine strömen.
Es können z.B.
Luft oder Dampf oder sowohl Luft als auch Dampf durch die jeweiligen
Hohlräume
geleitet werden, um die Bänder
und Schaufeln zu kühlen.
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Die
Düsensegmente 10 sind
aus einem Gussmaterial, vorzugsweise einer Nickellegierung, gebildet.
Es wird erkannt, dass die thermischen Beanspruchungen in den Düsen durch
eine Verringerung der Dicke der Wand, die den heißen Verbrennungsgasen
ausgesetzt ist, und ein Strömen
des Kühlmediums
durch Hohlräume
minimiert werden können,
und dies trifft insbesondere im Hinblick auf die Wand um die Vorderkante
der Leitschaufel herum zu. Es wird erkannt, dass die Einhaltung
von Toleranzen und der Wanddicke zunehmend schwieriger wird, wenn
die Wanddicke der Gussstücke
verringert wird, was zu reduzierten Gießergebnissen führt. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung können
verbesserte Gießergebnisse
sowie eine verringerte Wanddicke insbesondere zwischen der Außenoberfläche der
Vorderkante und der Innenwandoberfläche des Vorderkantenhohlraums
durch eine Entfernung von Material von der Innenoberfläche der
Hohlraumwand durch ein Funkenerosionsbearbeitungsverfahren nach
dem Gießen
erreicht werden.
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Unter
Bezug auf die 1 und 2: Insbesondere
wird in einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung eine Elektrode 28 (1),
z.B. eine dünne
Stange, die einen Teil einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung
bildet, in einen Hohlraum der Leitschaufel 16 zwischen
ihren einander gegenüberliegenden
Enden, z.B. durch den Innen- und den Außenbandabschnitt 12 und 14 und
den Vorderkantenhohlraum 18, hineingeführt. Die Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung
ist für
sich betrachtet konventionell. In der vorliegenden Anwendung eines solchen
Gerätes
wird erkannt, dass die dünne
Elektrode 28 an den gegenüberliegenden Enden befestigt ist
und vorzugsweise automatisch bzw. maschinell bewegt wird, um einem
vorbestimmten Pfad entlang der Wand 31 des Gussstückhohlraums,
z.B. des Hohlraums 18, zu folgen. Wie in 2 dargestellt
ist die Wand 31 gegossen und weist an der Vorderkante der
Leitschaufel 16 zwischen ihrer gegossenen Innenwandoberfläche 30 und
der Außenwandoberfläche 33 eine
erhebliche Dicke auf. Die gegossene Wanddicke ist durch den Abstand
zwischen der Außenwandoberfläche 33 und
der gestrichelten Linie 30 in 2 gekennzeichnet.
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Um
die Dicke dieser Wand zu verringern, wird die dünne Elektrode 28 durch
den Hohlraum 18 hindurchgeführt und zum Überstreichen
einer Oberfläche
bewegt, die der gewünschten
Innenwandoberfläche
entspricht, wie sie in 2 durch die durchgezogene Linie 32 gekennzeichnet
ist, wodurch die gewünschte
Wanddicke ausgebildet wird. Wenn die dünne Elektrode 28 entlang
des gewünschten
Pfades verschoben wird, wird das Material der Innenwand des Hohlraums
abgeschnitten und kann als ein einziges Stück, wie z.B. das in 1 dargestellte
abgenommene Materialstück 34,
entfernt werden. Demnach wird erkannt, dass die dünne Elektrode 28 einen
Pfad beschreibt, der der gewünschten
Innenwandoberfläche 32 entspricht,
wodurch an der Wand 31 des Hohlraums 18 mit dem
Ergebnis entlang geschnitten wird, dass die gewünschte dünnwandige Anordnung nach dem
Gießen
gebildet wird.
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Unter
Bezug auf 3: Der Bewegungspfad der Elektrode 28 entlang
der Wand 31 ist durch die Bezugspunkte 36 und 38 in 3 jeweils
an dem oberen und unteren Ende der Leitschaufeln oder der außerhalb
der Leitschaufeln gekennzeichnet. Durch ein sequentielles Führen der
Elektrode durch die Bezugspunkte 36 und 38 kann
die gewünschte
zusammengesetzte, gekrümmte
Oberfläche
entlang der Innenwand des Hohlraums gebildet werden. Es wird erkannt,
dass sich die Elektrode 28 geradlinig erstreckt und ihre
geradlinige Ausdehnung beibehält,
wenn sie entlang der Hohlraumwand verschoben wird.
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Es
ist bekannt, dass die Wärmeübertragungseigenschaften
durch die Verwendung aufgerauter Grenzflächen, z.B. zwischen einem Kühlmittel und
einer zu kühlenden
Oberfläche,
verbessert werden können.
Daher ist es wünschenswert,
die sich ergebende Innenwandoberfläche 32 des Hohlraums aufzurauen,
wenn die Wanddicke verringert wird. Um dies zu erreichen, kann die
dünne Elektrode 28 eine aufgeraute
Oberfläche 40 aufweisen,
wie es in 4 dargestellt ist. Wenn die
dünne Elektrode
entlang des vorbestimmten Pfades verschoben wird, wird die innere
Wandoberfläche
komplementär
zu der aufgerauten Oberfläche
der Drahtelektrode zum Zwecke einer verbesserten thermischen Wirksamkeit
aufgeraut.
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Unter
Bezug auf die 5, 6A und 6B wird
ein EDM-Einstechverfahren
verwendet. Insbesondere wird anstelle einer dünnen Elektrode eine Elektrode
in der Form eines Profils verwendet. Wie in 5 dargestellt
bildet das Profil 42 die Elektrode des EDM-Gerätes und
erstreckt sich in ähnlicher
Weise wie die dünne
Elektrode 28 durch den Hohlraum 18 hindurch. Das
Profil 42 weist eine Vorderfläche 44 auf, die der
gewünschten
endgültigen Innenwandoberfläche nach
Abschluss des EDM-Vorgangs entspricht. Demnach wird durch Einsetzen
des Profils 42 in den Hohlraum 18 die Vorderfläche 44 des
Profils 42 an die vorhandene gegossene Innenwandoberfläche 46 des
Hohlraums 18 angelegt bzw. gegen diese gedrückt, wie
es in 6A dargestellt ist. Durch eine
Vorwärtsbewegung
des Profils 42 zu der gewünschten inneren Wandoberflächenkonfiguration 48 hin
kann die endgültige
Wandoberfläche 48 gebildet
werden. Das heißt,
dass das Material durch ein Vorrücken
des Profils 42 in Anlage an der gegossenen Innenwandoberfläche 46,
wie es durch den Pfeil in 6B dargestellt
ist, und durch ein weiteres Vorwärtsbewegen
des Profils 42 weggeschnitten wird, bis die Vorderfläche 44 des
Profils 42 und die Innenwandoberfläche 48 zueinander
komplementär sind
und sich an dem geeigneten Ort innerhalb des Hohlraums befinden,
der die gewünschte
Wanddicke aufweist. Es wird auch erkannt, dass das Profil 42 in ähnli cher
Weise wie die dünne
Elektrode eine aufgeraute Oberfläche 50 (5)
aufweisen kann, so dass die Endinnenwandoberfläche 48 des Hohlraums
zum Zwecke einer verbesserten Wärmeübertragung
eine aufgeraute Oberfläche
aufweisen kann, die zu der aufgerauten Oberfläche des Profils komplementär ist.
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Als
eine Folge der offenbarten Verfahren werden die Gießergebnisse
wesentlich verbessert. Gleichzeitig kann die Wanddicke auf enge
Toleranzen bemessen werden, um die thermischen Spannungen zu reduzieren
sowie die Wärmeübertragung zu
verbessern.