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Die Erfindung bezieht sich auf das Giessen von Turbinendüsen
sowohl für Leistungserzeugungs- als auch Flugzeug-Gasturbinen-
triebwerksanwendungen.
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Üblicherweise sind in dem Turbinenabschnitt von
Gasturbinentriebwerken Turbinendüsen (auch als Leitschaufeln bezeichnet)
vor Laufschaufeln angeordnet und sie werden dazu verwendet,
heiße Verbrennungsgase unter einem optimalen Winkel zu richten,
damit die Laufschaufeln auf effiziente Weise rotieren, was
seinerseits Energie erzeugt, die zum Drehen einer Welle verwendet
wird, die, im Falle einer Gasturbine für
Energieerzeugungsanwendungen, mit einem Generator für die Erzeugung von
Elektrizität verbunden sein kann.
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Gasturbinendüsen sind üblicherweise hohle Metallstrukturen und
werden unter Verwendung des Gießverfahrens mit verlorener
Gießform gefertigt. Derzeitige Verfahren des Gießens mit verlorener
Gießform von Gasturbinendüsen umfassen ein Formen der
stromlinienförmigen Komponente der Düse in Wachs, indem ein üblicher
Aluminiumoxid- oder Siliciumoxidbasis-Keramikkern entwickelt
wird, der interne Kühlmittelkanäle der Düse bildet. Die
Wachsanordnung durchläuft dann eine Reihe von Eintauchungen in
flüssige Keramiklösung. Das Teil kann nach jedem Eintauchen
trocknen, wobei ein harter äußerer Mantel gebildet wird,
üblicherweise ein üblicher Keramikmantel auf Zirkonoxidbasis.
Nachdem alle Eintauchungen abgeschlossen sind und die
Wachsanordnung durch mehrere Schichten des gehärteten Keramikmantels
umschlossen ist, wird die Anordnung in einem Ofen angeordnet, wo
das Wachs in dem Mantel herausgeschmolzen wird. Die
verbleibende Form besteht aus dem inneren Keramikkern, dem äußeren
Keramikmantel und dem Raum zwischen dem Kern und dem Mantel, der
zuvor mit dem Wachs gefüllt war. Die Form wird wieder in dem
Ofen angeordnet, und flüssiges Metall wird in eine Öffnung am
Oberteil der Form gegossen. Das geschmolzene Metall tritt in
den Raum zwischen dem Keramikkern und dem Keramikmantel ein,
der zuvor mit dem Wachs gefüllt war. Nachdem das Metall
abkühlen und erstarren konnte, wird der äußere Mantel aufgebrochen
und entfernt, wobei die Metalldüsenkomponente freigelegt wird,
die die Form von dem Hohlraum angenommen hat, der durch die
Entfernung von dem Wachs hervorgerufen ist und die den inneren
Keramikkern umschließt. Diese Düsenkomponente wird dann in
einem Laugentank angeordnet, wo der Keramikkern aufgelöst wird.
Die Metalldüsenkomponente hat nun die Form von der Wachsform
und eine innere Kammer, die zuvor mit dem inneren Keramikkern
gefüllt war.
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Die relativen thermischen Wachsbewegungen von dem keramischen
Mantel- und dem keramischen Kernmaterial sind unterschiedlich,
so dass, nachdem das Metall gegossen worden ist und abkühlen
konnte, das relative Schrumpfen von den Mantel- und
Kernkomponenten unterschiedlich ist. Dies kann unterschiedliche
Wanddicken an Bereichen von dem Metalldüsenteil bewirken, wo die eine
Seite der Wand durch den äußeren Mantel gebildet ist und die
andere Seite von der Wand mit dem inneren Kern in Eingriff ist.
Insbesondere, und wie nachfolgend näher erläutert wird, ist der
Bereich, wo der stromlinienförmige Abschnitt eine Hohlkehle mit
dem äußeren Düsenband bildet, traditionell ein sehr schwieriger
Bereich gewesen, in der das Gießen von Wanddicken gesteuert
werden soll.
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In Fig. 1 ist eine typische Turbinendüse bei 10 gezeigt. Die
Düse wird von einem stromlinienförmigen Abschnitt 12, einem
äußeren Düsenband 14, einem inneren Düsenband 16, einem inneren
Befestigungsflansch 18, einer inneren Hohlkehle 20A des
stromlinienförmigen Abschnitts, wo der stromlinienförmige Abschnitt
12 auf das innere Düsenband 16 trifft, einer äußeren Hohlkehle
20B, wo der stromlinienförmige Abschnitt das äußere Düsenband
14 trifft (siehe Fig. 2), inneren Schaufelrippen 22 und einem
äußeren Befestigungshaken 24 gebildet. Die Turbinendüse hat
eine äußere vertikal orientierte Hülse bzw. Rand oder Kragen 26B
um
den Umfang des Abschnittes auf der Seite des äußeren
Düsenbandes gegenüber dem stromlinienförmigen Abschnitt 12 und an
der Grenzfläche zwischen der Hohlkehle 20B und dem äußeren
Düsenband 14. Eine Turbinendüse mit einer derartigen vertikal
orientierten Hülse ist in US-A-4,511,306 beschrieben.
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Eine ähnliche innere Hülse bzw. Rand oder Kragen 26A ist an der
Grenzfläche zwischen der Hohlkehle 20A und dem inneren
Düsenband 16 gebildet.
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Es wird nun auch auf Fig. 2 Bezug genommen, wo die Düse 10 mit
dem inneren Keramikkern 28 auf Aluminiumoxid- oder
Siliciumoxidbasis und dem äußeren Mantel 30 auf Zirkonoxidbasis
gezeigt sind, wie sie nach dem Gießen des geschmolzenen Metalls
in den zuvor oben beschriebenen Raum erscheinen würden. Es sei
hier jedoch darauf hingewiesen, dass die Düse, wie sie in Fig.
2 gezeigt ist, die gleiche Form hat wie die temporäre
Wachsform, und deshalb entsprechen die Oberflächen oder Formen der
temporären Wachsform den identischen Formen oder Oberflächen
der Metalldüse. Demzufolge sind hier auftretende Bezugnahmen
auf entweder die Wachsform oder die entstehende
Metalldüsenstruktur im Endeffekt gegeneinander austauschbar.
Beispielsweise werden die vertikal orientierten Hülsen 26A und B zunächst
in Wachs geformt und später durch das geschmolzene Metall
geformt, das in den Raum gegossen wird, der von dem Wachs frei
gemacht wird. Dies gilt auch in bezug auf die Fig. 3 und 4,
wie sie hier weiter beschrieben werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Kern 28 vergrößerte Enden
32 (an dem festen Ende der Düse, das in der Düse fest
angebracht werden soll) und 34 (an dem freien Ende) hat. An dem
"festen Ende" gibt es wenig oder keine relative Expansion
zwischen dem Keramikkern und dem Mantel. An dem "freien Ende"
tritt jedoch eine derartige relative Expansion leicht auf. In
dem Prozess der Vorwärmung der Form vor dem Gießen des Metalls
und bei dem Abkühlen der Form nach dem Gießen von Metall
wach
sen und schrumpfen der äußere Mantel 30 und der innere Kern 28
in unterschiedlichen Raten aufgrund der unterschiedlichen
Materialeigenschaften der zwei keramischen Materialien. Die
Wanddicke von den inneren und äußeren Bändern 14 bzw. 16 wird durch
diese relative Wachserscheinung nicht beeinflusst, da beide
Seiten der Metallbänder mit dem gleichen Material des äußeren
Mantels in Eingriff sind, das selbstverständlich gleichförmige
thermische Wachseigenschaften hat. Deshalb sind relativ
übereinstimmende Wanddicken in den Bereichen der inneren und
äußeren Bänder auf einfache Weise erzielbar.
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Die Dickenabmessungen an der Hohlkehle 20A der Innenbandwand
wird nur in einem kleineren, insignifikanten Ausmaß
beeinflusst, da der Mantel und der Kern an diesem Ende, d. h. dem
"festen Ende", aneinander gehalten werden. Es gibt somit einen
kleineren Abstand, über dem das relative Wachsen auftreten
kann, und infolgedessen ist das absolute relative Wachsen viel
kleiner im Vergleich zu dem Bereich gegenüber dem festen Ende.
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In dem Bereich, wo der stromlinienförmige Abschnitt die
Hohlkehle 20B mit dem äußeren Band der Düse bildet, d. h. an dem
"freien Ende", treten jedoch leicht unterschiedliche Wachs- und
Schrumpfraten auf, und es ist diese Stelle, wo die
unterschiedliche thermische Expansion die Wanddickenabmessung signifikant
beeinflusst. Diese Region hat im allgemeinen die Tendenz, einer
der Bereiche mit hoher Beanspruchung und kurzer
Teilelebensdauer zu sein, wodurch sie zu einer kritischen Region gemacht
wird, wo die Steuerung der Wanddicke wesentlich ist.
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Es ist deshalb die Hauptaufgabe dieser Erfindung, die relativen
Unterschiede in den thermischen Expansionen von dem Kern- und
Mantelmaterial in der Region zu verkleinern, wo der
stromlinienförmige Abschnitt eine Hohlkehle mit dem äußeren Düsenband
bildet.
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Gemäß ihren weiteren Aspekten bezieht sich die vorliegende
Erfindung deshalb auf ein Verfahren zum Gießen mit verlorener
Gießform von einer Turbinendüse, die ein äußeres Band, ein
inneres Band und einen stromlinienförmigen Abschnitt aufweist,
der sich zwischen den inneren und äußeren Bändern erstreckt,
wobei die Verbesserung enthält, dass eine temporäre Wachsform
und Außenmantel- und Innenkernkomponenten geformt werden, die
beim Gießen so verwendet werden, dass während des Gießens von
geschmolzenem Metall in einen Raum, der durch Entfernung der
Wachsform hervorgerufen wird, ähnliches Außenmantelmaterial auf
gegenüberliegenden Seiten von einer äußeren Hohlkehle liegt, wo
der Außenmantel auf den stromlinienförmigen, Abschnitt trifft.
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Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine
Gasturbinendüse enthaltend ein äußeres Band und ein inneres
Band; einen stromlinienförmigen Abschnitt, der sich zwischen
dem äußeren und dem inneren Band erstreckt, wobei eine
Außenband-Hohlkehle und eine Innenband-Hohlkehle auf entsprechende
Weise dazwischen angeordnet sind; und eine erste horizontal
angeordnete Rippe, die sich um einen inneren Umfang von dem
stromlinienförmigen Abschnitt unterhalb und benachbart zu der
Außenband-Hohlkehle erstreckt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die vertikale Hülse bzw. Rand
oder Kragen um den Umfang der Hohlkehlen an der Außenbandgrenze
eliminiert und durch eine innere horizontal orientierte
Abquetschrippe ersetzt. Diese Umkonstruktion ist zwar an der äußeren
Hohlkehle kritischer, sie kann aber an sowohl der inneren als
auch äußeren Hohlkehle vorgenommen sein. Genauer gesagt, um die
relativen Unterschiede in den thermischen Expansionen der
Keramikmaterialien des Kerns und des Mantels zu verringern, kann
die Lage des Kerns so angeordnet sein, dass die unvermeidbare
relative Bewegung in einer Richtung gerichtet ist, damit eine
minimale Wanddickenänderung auftritt, wie sie in der Wand des
stromlinienförmigen Abschnitts beobachtet wird. Mit anderen
Worten, um die äußere Hohlkehle gegenüber den relativen Wachs-
und Schrumpfunterschieden zwischen dem Kern und dem Mantel
unempfindlich zu machen, wird die vertikale Umfangshülse durch
die oben beschriebene horizontale innere Abquetschrippe
ersetzt, und das keramische Mantelmaterial wird über die
Hohlkehle verlängert. Als eine Folge ist Außenmantelmaterial mit
beiden Seiten von der äußeren Hohlkehle in Eingriff und umschließt
dieses, wodurch für eine gut gesteuerte, übereinstimmende Dicke
in diesem kritischen Bereich gesorgt wird.
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Um das relative Wachsen von dem Kern und dem Mantel
aufzunehmen, wird die Abquetschrippe innerhalb des stromlinienförmigen
Abschnittes an einer Stelle hervorgerufen, die mit dem
Tangentenpunkt der Hohlkehle und dem stromlinienförmigen Abschnitt
ausgerichtet ist. Dieses Merkmal wird durch ein Redesign von
dem inneren Formkern und der Wachsform erreicht, so dass die
Wachsform horizontal orientierte Abquetschrippen aufweist
(anstelle der bekannten vertikal orientierten Hülsen. Die neue
Konfiguration wird durch den Tauchprozess abgeschlossen, der
den Außenmantel bildet, wie es oben beschrieben ist. Nachdem
das Wachs entfernt ist, wird geschmolzenes Metall in den durch
das Wachs zurückgelassenen Hohlraum einschließlich der Räume
gegossen, die die Abquetschrippen bilden. Jede relative
Bewegung zwischen dem Kern und dem Mantel wird durch eine Änderung
in der Dicke von einer oder beiden Abquetschrippen anstatt der
Hohlkehlen herausgenommen. Nach dem Gießen können die
Abquetschrippen beseitigt oder als ein Befestigungssitz für
Pralleinsätze verwendet werden, die im allgemeinen in den
stromlinienförmigen Düsenabschnitten zu Kühlzwecken angeordnet werden, wie
es allgemein bekannt ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von einer üblichen
bekannten Gasturbinendüse ist;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in Fig.
1 ist;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von einer Gasturbinendüse
gemäß dieser Erfindung ist; und
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig.
3 ist.
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Es wird nun auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, in denen
die Gasturbinendüse und die Formkonfiguration gezeigt sind, die
die erfindungsgemäßen Merkmale enthalten. Aus
Zweckmäßigkeitsgründen sind Bezugszahlen, die in den Fig. 1 und 2 verwendet
sind, für entsprechende Komponenten in den Fig. 3 und 4
verwendet, aber mit einer vorangestellten "1". Somit enthält unter
spezieller Bezugnahme auf Fig. 3 die Turbinendüse 110 einen
stromlinienförmigen Abschnitt 112, ein äußeres Band 114, ein
inneres Band 116, einen inneren Befestigungsflansch 118, eine
innere Hohlkehle 120A, eine äußere Hohlkehle 120B, innere
Schaufelrippen 122 und einen äußeren Befestigungshaken 124. In
diesem Ausführungsbeispiel sind die Umfangshülsen bzw. -ränder
oder -kragen 26A und 26B eliminiert zu Gunsten von horizontal
orientierten Abquetschrippen 126A und 126B, die in der
Innenkammer von dem stromlinienförmigen Düsenabschnitt unterhalb der
Ebene des äußeren Bandes 114 bzw. oberhalb der Ebene des
inneren Bandes 116 angeordnet sind, wie es am besten in Fig. 4
gezeigt ist.
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Um die obige Konfiguration zu erreichen, ist der innere
Keramikkern 128 neu geformt, um die eine verkleinerte Größe
aufweisenden Endabschnitte 132 und 134 zu haben, wie es am besten
in Fig. 4 zu sehen ist. Wenn die Wachsform zu dem Keramikkern
hinzugefügt ist, enthält die Wachsform die horizontal
orientierten Wachs-Abquetschrippen 126A und 126B, die an
horizontalen Schultern 135 bzw. 133 von dem inneren Keramikkern
angreifen. Während nachfolgender Tauchschritte, die den äußeren
Mantel 130 formen, greift letzterer an den Wachs-Abquetschrippen
an und füllt den Raum auf jeder Seite von dem oberen Band 114
und dem unteren Band 116 und den verkleinerten Enden 132 und
134 von dem inneren Keramikkern, wie es deutlich in Fig. 4
gezeigt ist.
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Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Materialien, die den
inneren Kern 128 und den äußeren Mantel 130 bilden, die gleiche
Keramik auf Aluminiumoxid- oder Siliciumoxidbasis und auf
Zirkonoxidbasis sein kann, wie sie in dem bekannten Verfahren
verwendet ist. Dies sind bekannte, kommerziell erhältliche
Materialien, die üblicherweise beim Gießen mit verlorener Gießform
verwendet werden. Die hier beschriebene Erfindung ist jedoch
nicht auf die Verwendung dieser speziellen Materialien
beschränkt.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung wird deutlich, dass,
nachdem das Wachs aus der Form herausgeschmolzen und nachdem
geschmolzenes Metall in den freien Raum gegossen ist, der zuvor
mit dem Wachs gefüllt war, gleiches Material (äußeres
Mantelmaterial) an gegenüberliegende Seiten von dem oberen Band 114 und
dem unteren Band 116 angreift und diese umgibt. Auf diese Weise
haben die innere Hohlkehle 120A und die äußere Hohlkehle 120B
(und insbesondere die äußere Hohlkehle 120B) eine besser
steuerbare und somit gleichförmigere Wanddicke, weil die Hohlkehlen
gegen die relativen Wachs- und Schrumpfunterschiede zwischen
den Kern- und Mantelkeramiken unempfindlich gemacht worden
sind.
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Nach dem Gießen können die metallischen Abquetschrippen 126A
und 126B von dem Teil beseitigt werden oder sie können als ein
Befestigungssitz für Pralleinsätze verwendet werden, die
üblicherweise in den stromlinienförmigen Düsenabschnitten zu
Kühlzwecken angeordnet werden, wie es in der Technik allgemein
bekannt ist.