DE60033768T2 - Kern zur Einstellung der Wanddicke einer Turbinenschaufel und Verfahren - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelauslegung und insbesondere eine Kernauslegung, die eine unabhängige Wanddickensteuerung an der Schaufelblattvorderkante und der Hinterkante einer gekühlten Schaufel ermöglicht.
• Der Wirkungsgrad einer Gasturbine steht mit der Betriebstemperatur der Turbine in einer Beziehung und kann erhöht werden, indem die Betriebstemperatur erhöht wird. Aus praktischen Gründen ist jedoch die maximale Turbinenarbeitstemperatur durch die Hochtemperatureignung verschiedener Turbinenelemente begrenzt. Da der Triebwerkswirkungsgrad durch Temperaturgesichtspunkte beschränkt ist, haben Turbinenkonstrukteure erheblichen Aufwand zur Steigerung der Hochtemperatureigenschaften von Turbinenelementen, insbesondere der als Schaufelblatt geformten Leitschaufeln und Laufschaufeln getrieben, auf welche Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte auftreffen. Verschiedene Kühlanordnungen, Systeme und Verfahren erweitern die Betriebstemperaturgrenzen, indem sie die Schaufelblätter auf niedrigeren Temperaturen halten. Das Kühlen der Schaufelblätter wird im Allgemeinen durch Erzeugen von internen Strömungskanälen innerhalb der Schaufelblätter erreicht. Die gewundenen Kühlkanäle nehmen einen Kühlfluidstrom auf.
• Alle Teilabschnitte der Turbinenschaufelblätter sollten ausreichend gekühlt werden. Insbesondere sollte eine ausreichende Kühlung für die Vorder- und Hinterkanten der Schaufelblätter vorgesehen werden, da diese Teilabschnitte normalerweise die am negativsten durch die Hochtemperaturverbrennungsgase beeinträchtigten sind. Bekannte Kühlkonfi gurationen haben die Tendenz, Schaufelblätter, insbesondere an den Vorder- und Hinterkanten der Schaufelblätter, ungleichmäßig zu kühlen.
• Es wäre für die Kühlung hilfreich, wenn die Wanddicken der Schaufeln an den Vorder- und Hinterkanten optimiert wären. Typischerweise wird ein einteiliger Kern in einer Gießform gelagert, und vor der Gießprozedur wird der Kern so positioniert, dass die Wanddicken des Endproduktes an den Vorder- und Hinterkanten der Schaufel den Auslegungsgesichtspunkten passend entsprechen. In diesem Zusammenhang führt jedoch, wegen der Positionierung des Kerns in der Gießform die optimale Positionierung von einer der Vorderkante oder der Hinterkante auf eine geeignete Wanddicke zu einer Opferung der optimalen Positionierung der anderen von der Vorder- oder Hinterkante, und das Endprodukt kann nicht die gewünschten Teilebetriebsdaueranforderungen aufgrund unzureichender Kühlfähigkeiten erreichen.
• WO 99 59748A offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines metallischen Hohlkörpers mit wenigstens einem hohlen Raum und einer den hohlen Raum umgebenden Wand. Die Vorrichtung weist eine äußere Gießform auf, welche wenigstens einen Innenkern zum Ausbilden des hohlen Raumes enthält.
• EP-A-0 715 913 offenbart einen zusammengesetzten Kern für eine hohle Gasturbinentriebwerksschaufel, der aufgebaut wird, indem ein die Hohlraumgröße des Hinterkantenlaufschaufelabschnittes bestimmender erster Kernteil aus einem ersten keramischen Material ausgebildet und mit einem den Schaufelblatthohlraum für den Laufschaufelkörperabschnitt ausbildenden zweiten Kernteil verbunden wird, welcher aus einem zweiten keramischen Material ausgebildet wird.
• In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält ein Kern zur Verwendung beim Gießen einer Turbinenschaufel mit gewundenen Kühlkanälen einen in einer Gießform positionierbaren Vorderkantenkernabschnitt, und einen von dem Vorderkantenkernabschnitt getrennten und getrennt in der Gießform positionierbaren Hinterkantenkernabschnitt. Sowohl der Vorderkantenkernabschnitt als auch der Hinterkantenkernabschnitt enthält bevorzugt gewundene Kühlkanäle.
• In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird ein zweiteiliger Kern zur Verwendung beim Gießen einer Turbinenschaufel mit gewundenen Kühlkanälen bereitgestellt, wobei jedes von den Teilen getrennt in einer Gießform zum unabhängigen Steuern der Wanddicken an einer Vorderkante und einer Hinterkante der Turbinenschaufel positionierbar ist.
• In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Positionieren eines Kernes in einer Form, wobei die Form zur Verwendung beim Gießen einer Turbinenschaufel dient, die voneinander unabhängige Steuerung der Wanddicke an einer Vorderkante und einer Hinterkante der Turbinenschaufel. In diesem Zusammenhang beinhaltet der Steuerungsschritt bevorzugt die Positionierung eines Vorderkantenkernabschnittes in einer Gießform und die getrennte Positionierung eines Hinterkantenkernabschnittes in der Gießform.
• Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• 1 eine Querschnittsansicht des zweiteiligen Kerns gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
• 2 eine Querschnittsansicht einer mit dem erfindungsgemäßen zweiteiligen Kern erzeugten Endproduktschaufel ist.
• Triebwerkschaufeln werden in einer Gießform oder Kokille unter Verwendung eines innerhalb der Form gelagerten Kerns gegossen. Typischerweise wird der Kern mittels einer Sechskantaufnahme oder dergleichen gelagert und wird vor dem Gießprozess positioniert. Der Gießprozess selbst stellt keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar und dessen weiteren Details werden nicht angegeben. Es gibt verschiedene bekannte Gießtechniken zum Gießen von Turbinenschaufeln. Ein exemplarisches Verfahren ist in dem US Patent Nr. 5 950 705 offenbart.
• Gemäß 1 enthält ein Kern 10 zur Verwendung beim Gießen einer Turbinenschaufel einen Vorderkantenkernabschnitt 12 und einen Hinterkantenkernabschnitt 14. Der Kern 10 ist in den Vorderkantenkernabschnitt 12 und den Hinterkantenkernabschnitt 14 entlang einer Teilungslinie 16 unterteilt. Jeder Abschnitt enthält einen oder mehrere gewundene Kühlkanäle 18, wie es üblich ist. Der Hinterkantenkernabschnitt 14 ist ferner mit mehreren Aufteilungsstegen 20 dargestellt, welche dazu dienen, den Strom während der Kühlung aufzuteilen.
• Da der herkömmliche einteilige Kern in der Gießform mittels einer Sechspunktaufnahme oder eines ähnlichen Satzes von Kernpositionierungsvorrichtungen gelagert wird, müssen die herkömmliche Gießform und deren Lagerungsstruk tur nicht modifiziert werden, um den zweiteiligen Kern der vorliegenden Erfindung aufzunehmen. Mit diesem Aufbau können gemäß 2 der Vorderkantenkernabschnitt 12 und der Hinterkantenkernabschnitt 14 getrennt in der Gießform positioniert werden, so dass die Wanddicken an der Vorderkante der Schaufel und der Hinterkante der Schaufel unabhängig gesteuert werden können.

Claims (4)

1. Kern zur Verwendung beim Gießen einer gewundene Kühlkanäle enthaltenden Turbinenschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern enthält: einen in einer Gießform positionierbaren Vorderkantenkernabschnitt (12); und einen von dem Vorderkantenkernabschnitt getrennten und getrennt in der Gießform positionierbaren Hinterkantenkernabschnitt (14).
2. Kern nach Anspruch 1, wobei sowohl der Vorderkantenkernabschnitt (12) als auch der Hinterkantenkernabschnitt (14) gewundene Kühlkanäle (18) enthält.
3. Kern nach Anspruch 1, wobei der Kern ein zweiteiliger Kern ist.
4. Verfahren zum Positionieren eines Kerns in einer Form, wobei die Form zur Verwendung beim Gießen einer Turbinenschaufel mit gewundenen Kühlkanälen dient, und das Verfahren die Schritte aufweist: unabhängiges Steuern der Wandstärke an einer Vorderkante und einer Hinterkante der Turbinenschaufel, gekennzeichnet durch Positionieren eines Vorderkantenkernabschnitts (12) in einer Gießform und getrenntes Positionierung eines Hinterkantenkernabschnitts (14) in der Gießform.