EP0894558A1 - Turbinenschaufel sowie Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel - Google Patents
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- EP0894558A1 EP0894558A1 EP97113044A EP97113044A EP0894558A1 EP 0894558 A1 EP0894558 A1 EP 0894558A1 EP 97113044 A EP97113044 A EP 97113044A EP 97113044 A EP97113044 A EP 97113044A EP 0894558 A1 EP0894558 A1 EP 0894558A1
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- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
- Y10S415/915—Pump or portion thereof by casting or molding
Definitions
- the invention relates to a turbine blade, in particular a gas turbine blade, which extends along a Major axis from a root area over an airfoil area extends to a head area.
- the invention relates furthermore a method for producing a turbine blade, especially a gas turbine blade.
- DE-AS 22 42 111 describes a device and a method for the production of castings, in particular gas turbine blades, described with a solidified structure.
- the method and the device serve for the production as far as possible void-free castings.
- the directional solidification with a single-crystal or stem-shaped structure through a Control over the beginning of grain growth reached.
- At The process is carried out using a molten metal bowl shape to be filled placed on a quenching plate and heated to a temperature that in particular 150 ° C above the temperature of the melting point of the pouring metal.
- the molten metal is in the Filled bowl shape and the quench plate with the bowl shape immersed in a coolant bath. The temperature the coolant is significantly below the Melting point of the metal.
- the quench plate is already before pouring the metal into the shell mold through the Coolant cooled.
- a superalloy as metal such as Mar-M 200 used.
- Immersing the shell shape in the Coolant bath takes place at such a speed that the surface of the coolant bath is the solitus level not advanced, so the heat dissipation from the pulpy Zone of the solidifying alloy occurs vertically downwards and the liquid-solid interface is substantially horizontal remains. This is to ensure the growth of a single crystal and nucleation of grains on the surface prevent the shell shape.
- the bowl shape is over Heated at 1500 ° C.
- Liquid tin is used as the cooling liquid, which has a temperature of about 260 ° C.
- the Speed at which the bowl shape enters the liquid bath immersed is about 3 m / h.
- the turbine blade is used as a full material scoop made of a nickel or Cobalt based alloy in single crystal form, with a Cast total length of about 10 cm.
- EP-0 010 538 A1 there is a speed controller
- the ratio of temperature gradient G and rate of solidification R is of particular importance for the directional solidification of a casting.
- the ratio of G to R must exceed a certain characteristic value in order for directional solidification to take place.
- the directional solidification is mainly used to produce a casting for a gas turbine, which is a stalk-shaped grain structure, a single crystal or a one-dimensionally directed eutectic.
- the directional solidification method is used for superalloys such as U-700, B-1900, Mar-M 200 and IN-100.
- Test trials for the production of a gas turbine blade for the first stage of an aircraft engine in monocrystalline form were carried out at high immersion speeds with radiation cooling and alternatively with cooling using a liquid metal.
- the radiation cooling speed was between 7.5 cm / h and 33 cm / h.
- the directionally solidified casting was cast as a full body.
- TCS formally controlled solidification
- a casting produced by this method differs from a directionally solidified casting or a single-crystalline casting, in particular in terms of the grain size.
- Directionally solidified and monocrystalline castings are distinguished by large and medium grain sizes, whereas a casting produced by the thermally controlled solidification process has an average grain size like a conventionally produced casting.
- a casting made using the thermally controlled solidification process has a consistent and uniform grain size in all casting areas.
- a ratio of temperature gradient G and solidification speed R is used, which leads to a microstructure with relatively small, rectified grains and minimal shrinkage.
- the process is carried out in a vacuum furnace in which a casting mold is heated by means of induction heating in a heating zone and is moved out of this heating zone in order to solidify the molten metal, so that the molten metal is cooled and solidified by radiation cooling.
- a casting mold and the construction of a corresponding furnace are described, for example, in US Pat. No. 4,724,891. This describes the production of a housing part of a turbine plant which in some areas has a thin wall structure with an area of more than 30 cm 2 and a wall thickness of less than 0.125 cm. The ratio of the area of the area with small wall thickness and the wall thickness is at least 40.
- the object of the invention is a turbine blade, in particular to specify a turbine blade for a gas turbine. Another task is to create a process to specify a turbine blade.
- a door bucket blade Task solved by a turbine blade that runs along a major axis from a root area over an airfoil area extends to a head area, and at least has a cavity in the airfoil area that at least in areas from a scoop wall of small wall thickness is surrounded, the blade wall being a metallic one Material with a small average grain size of the order of magnitude the grain size of a conventionally cast material having.
- the cross-sectional area preferably increases in a plane perpendicular to the main axis from the head region to the foot region.
- the cross-sectional area is preferably in a range between 500 mm 2 to 10,000 mm 2 .
- the cross-sectional area can be largely constant over a predetermined length, determined in accordance with the required strengths, from the head region into the airfoil region. Further into the airfoil area in the direction of the foot area, the cross-sectional area can increase exponentially in particular.
- the wall thickness preferably increases from the head area in the direction of the foot area. This can preferably be accompanied by the reduction in the size of the cavity.
- the turbine blade has a direction perpendicular to the Main axis an extension, which is defined by a distance of a Inflow area is characterized by an outflow area, this distance preferably from the foot area to the head area decreases.
- the turbine blade is preferably a moving blade or a guide vane of a gas turbine, especially a stationary one Gas turbine. It is preferably made of one Nickel-based or cobalt-based superalloy, such as CM 247LC, Rene 80, IN 792, IN 738LC or IN 939. Of course are suitable depending on the requirements of the turbine blade also other superalloys, such as those found in the literature are known.
- the wall thickness of the blade wall preferably has a minimum value, which is between 0.5 mm and 5 mm.
- a turbine blade is included clearly different wall thicknesses and possibly also with Areas made of solid material, in which the alloy is free of pores and voids and in the entire turbine blade largely has the same grain structure.
- the Process can be a turbine blade with a small Produce cross-sectional profile and thus a low weight, thereby reducing the mechanical load on a Blade root, which is in a rotor of a gas turbine Anchoring is attached, and the rotor itself is reached becomes. This also achieves a turbine blade with a long airfoil area, especially for the Use in a stationary gas turbine at high temperatures of well over 1000 ° C.
- FIG. 1 shows a longitudinal view of a turbine blade 1, which extend along a main axis 2 from a foot region 3 extends over an airfoil area 4 to a head area 5.
- the turbine blade 1 has in the airfoil area 4 towards the head area 5 a cavity 6, so that the turbine blade 1 a Has blade wall 7 with low wall thickness in some areas.
- the airfoil area points in the direction of the foot area 3 4 a hollow cross-section through which the cavity clear core is removable.
- the turbine blade 1 has an inflow area 11 for inflow with a hot gas 10 (see FIG. 3) and an outflow area 9 11 and outflow area 9 are perpendicular to the main axis 2 spaced apart by a distance D. This distance D goes from the blade root area 3 to the head area 5 continuously.
- the conventional casting process requires also a minimum wall thickness at the head area of the turbine blade, so that through the conventional casting process conditional wall thicknesses in the head area or the head area facing blade area are larger than that by the material strength actually required wall thickness.
- the resulting additional mass in the head area leads to a strong increase in the centrifugal force in the Foot area, which is an enlargement of the Require cross section of the turbine blade in the foot area.
- These limitations of the conventional casting process result to significantly heavier turbine blades than for reasons the strength would be required. It also takes away the weight of the turbine blade 1 and the load in the foot area 3, with which the turbine blade 1 in a rotor Gas turbine is attached as well as in the rotor itself.
- FIG. 4 shows a detail in a longitudinal section a heating zone 15 in a vacuum furnace, not shown is arranged.
- a mold 14 for a turbine blade 1 is shown in the heating zone 15 .
- the mold 14 is on a support plate 17 and an induction heater 16 surrounded.
- the mold 14 is towards the support plate 17 locked.
- the mold 14 is heated to a temperature above of the material to be solidified therein, in particular one Nickel or cobalt based superalloy, heated.
- the molten material is filled and then the mold at a given speed out of the induction heater 16 or the induction heater 16 at a given speed in vertical Direction moved away from the mold 14.
- the invention is characterized by a turbine blade, which is a material, in particular a nickel or cobalt-based superalloy, has an essentially void and pore-free structure with an average grain size similar to that of a conventionally cast material.
- the turbine blade can be controlled by a thermally controlled Solidification process also in the area of thin wall thicknesses produce.
- the process is characterized inter alia by by that the turbine blade is also different in areas Wall thickness and in areas made of solid material essentially has the same grain structure. This allows Turbine blades for higher material temperatures and with Make the airfoil area longer than that of conventional ones Casting process. Large thin-walled ones can also be used produce hollow turbine blades.
Landscapes
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel, welche sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (3) über einen Schaufelblattbereich (4) zu einem Kopfbereich (5) erstreckt. In dem Schaufelblattbereich (4) weist sie einen Hohlraum (6) auf, der zumindest bereichsweise von einer Schaufelwand (7) geringer Wandstärke umgeben ist. Die Schaufelwand (7) weist einen metallischen Werkstoff (8) mit geringer mittlerer Korngröße auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1). <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere
eine Gasturbinenschaufel, welche sich entlang einer
Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich
zu einem Kopfbereich erstreckt. Die Erfindung betrifft
weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel,
insbesondere einer Gasturbinenschaufel.
In der DE-AS 22 42 111 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Herstellung von Gußstücken, insbesondere Gasturbinenschaufeln,
mit gerichtet erstarrtem Gefüge beschrieben. Das
Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Herstellung möglichst
lunkerfreier Gußstücke. Die gerichtete Erstarrung mit
einem einkristallinen oder stengelförmigen Gefüge durch eine
Kontrolle über den Beginn des Kornwachstums erreicht. Bei
Durchführung des Verfahrens wird eine mit geschmolzenem Metall
zu füllende Schalenform auf einer Abschreckplatte abgesetzt
und auf eine Temperatur aufgeheizt, die insbesondere
150 °C oberhalb der Temperatur des Schmelzpunktes des zu
gießenden Metalls liegt. Das geschmolzene Metall wird in die
Schalenform eingefüllt und die Abschreckplatte mit der Schalenform
in ein Kühlflüssigkeitsbad eingetaucht. Die Temperatur
der Kühlflüssigkeit liegt wesentlich unterhalb des
Schmelzpunktes des Metalls. Die Abschreckplatte ist bereits
vor dem Eingießen des Metalls in die Schalenform durch das
Kühlmittel gekühlt. Für die Herstellung einer Turbinenschaufel
wird als Metall eine Superlegierung, wie beispielsweise
Mar-M 200, verwendet. Das Eintauchen der Schalenform in das
Kühlflüssigkeitsbad erfolgt mit einer derartigen Geschwindigkeit,
daß die Oberfläche des Kühlflüssigkeitsbades dem Solituspegel
nicht voreilt, so daß die Wärmeabfuhr aus der breiigen
Zone der erstarrenden Legierung vertikal abwärts erfolgt
und die flüssig-feste Grenzfläche im wesentlichen horizontal
bleibt. Dies soll das Wachstums eines Einkristalls sicherstellen
und eine Keimbildung von Körnern an der Oberfläche
der Schalenform verhindern. Bei der Herstellung einer Turbinenschaufel
als Einkristall wird die Schalenform auf über
1500 °C erhitzt. Als Kühlflüssigkeit wird flüssiges Zinn verwendet,
welches eine Temperatur von etwa 260 °C aufweist. Die
Geschwindigkeit, mit der die Schalenform in das Flüssigkeitsbad
eingetaucht wird, beträgt etwa 3 m/h. Die Turbinenschaufel
wird hierbei als Vollmaterialschaufel aus einer Nickel- oder
Kobaltbasislegierung in einkristalliner Form, mit einer
Gesamtlänge von etwa 10 cm gegossen.
In der EP-0 010 538 A1 sind ein geschwindigkeitskontrollier
tes Verfahren zur gerichteten Erstarrung sowie ein nach diesem
Verfahren hergestelltes Gußstück angegeben. Für die gerichtete
Erstarrung eines Gußstückes ist von besonderer Bedeutung
das Verhältnis aus Temperaturgradient G und Erstarrungsgeschwindigkeit
R. Für eutektische Superlegierungen muß
das Verhältnis von G zu R einen bestimmten charakteristischen
Wert überschreiten, damit eine gerichtete Erstarrung stattfindet.
Die gerichtete Erstarrung wird hierbei hauptsächlich
verwendet, um ein Gußstück für eine Gasturbine herzustellen,
welches eine stengelförmige Kornstruktur, ein Einkristall
oder ein eindimensional gerichtetes Eutektikum ist. Anwendung
findet die Methode der gerichteten Erstarrung bei Superlegierungen
wie U-700, B-1900, Mar-M 200 und IN-100. Testversuche
zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel für die erste Stufe
eines Flugzeugtriebwerkes in einkristalliner Form wurden mit
hoher Eintauchgeschwindigkeit bei Strahlungskühlung und alternativ
bei Kühlung mittels eines flüssigen Metalls durchgeführt.
Die Geschwindigkeit lag bei Strahlungskühlung zwischen
7,5 cm/h und 33 cm/h. Das gerichtet erstarrte Gußstück wurde
als Vollkörper gegossen.
In dem Artikel "A formal analysis from formally controlled
solidification (TCS) trials investment castings" von Patrick
D. Ferro, Sanjay B. Shendye in "Superalloys", 1996, Seiten
531 bis 535, The Minerals, Metals and Materials Society 1996,
ist ein Verfahren zur thermisch kontrollierten Erstarrung
großer Gußstücke mit Bereichen einer dünnen Wandstruktur beschrieben.
Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Gußstück
unterscheidet sich gegenüber einem gerichtet erstarrten Gußstück
oder einem einkristallinen Gußstück insbesondere durch
die Korngröße. Gerichtet erstarrte und einkristalline Gußstücke
zeichnen sich durch große und mittlere Korngrößen aus,
ein nach dem thermisch kontrollierten Erstarrungsverfahren
hergestelltes Gußstück weist demgegenüber eine mittlere Korngröße
wie ein konventionell hergestelltes Gußstück auf. Darüber
hinaus hat ein nach dem thermisch kontrollierten Erstarrungsverfahren
hergestelltes Gußstück eine konsistente und
gleichmäßige Korngröße in allen Gußbereichen. Bei dem thermisch
kontrollierten Erstarrungsverfahren wird ein Verhältnis
aus Temperaturgradient G und Erstarrungsgeschwindigkeit R
verwendet, das zu einer Mikrostruktur mit relativ kleinen,
gleichgerichteten Körnern und minimalem Schwund führt. Das
Verfahren wird in einem Vakuumofen durchgeführt, bei dem eine
Gießform über eine Induktionsheizung in einer Heizzone erwärmt
wird und zur Erstarrung des geschmolzenen Metalls aus
dieser Heizzone herausgefahren wird, so daß eine Abkühlung
und Erstarrung des geschmolzenen Metalls durch Strahlungskühlung
erfolgt. Herstellung einer Gießform sowie Aufbau eines
entsprechenden Ofens sind beispielsweise in der US-PS
4,724,891 beschrieben. Hierin wird die Herstellung eines Gehäuseteils
einer Turbinenanlage beschrieben, welches bereichsweise
eine dünne Wandstruktur mit einer Fläche von über
30 cm2 und einer Wandstärke kleiner als 0,125 cm aufweist.
Das Verhältnis aus der Fläche des Bereiches mit geringer
Wandstärke und der Wandstärke liegt bei mindestens 40.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel, insbesondere
eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung
einer Turbinenschaufel anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Türbinenschaufel gerichtete
Aufgabe durch eine Turbinenschaufel gelöst, welche sich entlang
einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich
zu einem Kopfbereich erstreckt, und zumindest
in dem Schaufelblattbereich einen Hohlraum aufweist, der zumindest
bereichsweise von einer Schaufelwand geringer Wandstärke
umgeben ist, wobei die Schaufelwand einen metallischen
Werkstoff mit geringer mittlerer Korngröße in der Größenordnung
der Korngröße eines konventionell gegossenen Werkstoffes
aufweist.
Durch Anbringen eines Hohlraums in die Turbinenschaufel erfolgt
u.a. eine Reduktion des Schaufelgewichtes. Bei einer
fehlerfreien Erstarrung des Werkstoffs, insbesondere lunker- und
porenfrei, wird ein während der Erstarrung auftretender
Schwund durch nachlaufende Schmelze des Werkstoffs ausgeglichen.
Dies wird beispielsweise durch Anwendung eines thermisch
kontrollierten Erstarrungsverfahrens erreicht. Ein Ausgleich
des Schwundes kann dadurch erreicht werden, daß die
Wandstärke von dem Kopfbereich zu dem Fußbereich hin zumindest
ab einem gewissen Abstand vom Kopfbereich kontinuierlich
zunimmt. Hierdurch erstarrt die Schmelze einer Legierung im
Kopfbereich schneller als im Fußbereich. Durch Anwendung eines
thermisch kontrollierten Erstarrungsverfahrens können die
Wandstärken entsprechend der geforderten Festigkeit angepaßt
werden, so daß eine Verringerung des Gewichts der Turbinenschaufel
erreichbar ist. Dadurch ist eine Reduzierung der Belastung
des Fußbereichs, in dem die Turbinenschaufel in einer
Turbinenwelle verankert ist, als Folge von auftretenden
Fliehkräften gewährleistet. Die Turbinenschaufel kann auch im
Fußbereich teilweise hohl ausgeführt sein.
Vorzugsweise nimmt die Querschnittsfläche in einer Ebene
senkrecht zur Hauptachse von dem Kopfbereich zu dem Fußbereich
hin zu. Die Querschnittsfläche liegt vorzugsweise in
einem Bereich zwischen 500 mm2 bis 10.000 mm2. Die Querschnittsfläche
kann über eine vorgegebene, entsprechend den
erforderlichen Festigkeiten bestimmte Länge von dem Kopfbereich
in den Schaufelblattbereich hinein weitgehend konstant
sein. Weiter in den Schaufelblattbereich hinein in Richtung
des Fußbereiches kann die Querschnittsfläche insbesondere exponentiell
zunehmen. Die Wandstärke vergrößert sich vorzugsweise
von dem Kopfbereich ausgehend in Richtung des Fußbereichs.
Dies kann vorzugsweise einhergehen mit der Verringerung
der Größe des Hohlraums.
Die Länge, über die die Querschnittsfläche vom Kopfbereich in
Richtung des Fußbereiches im wesentlichen konstant ist, beträgt
vorzugsweise zwischen 15% und 40% der gesamten Höhe des
Schaufelblattbereichs. Die Höhe des Schaufelblattbereichs beträgt
vorzugsweise zwischen 5 cm und 70 cm. Turbinenschaufeln
mit einer großen Höhe finden insbesondere bei stationären
Gasturbinen Anwendung. Für Turbinenschaufeln einer stationären
Gasturbine ist ggf. eine Anpassung der Prozeßparameter
des thermisch kontrollierten Erstarrungsverfahrens erforderlich.
Die Turbinenschaufel hat in einer Richtung senkrecht zur
Hauptachse eine Ausdehnung, welche durch einen Abstand eines
Anströmbereiches von einem Abströmbereich gekennzeichnet ist,
wobei dieser Abstand vorzugsweise vom Fußbereich zum Kopfbereich
hin abnimmt.
Die Turbinenschaufel ist vorzugsweise eine Laufschaufel oder
eine Leitschaufel einer Gasturbine, insbesondere einer stationären
Gasturbine. Sie ist hierbei vorzugsweise aus einer
Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung, wie CM 247LC,
Rene 80, IN 792, IN 738LC oder IN 939 ausgeführt. Selbstverständlich
eignen sich je nach Anforderung an die Turbinenschaufel
auch weitere Superlegierungen, wie sie aus der Literatur
bekannt sind.
Die Wandstärke der Schaufelwand hat vorzugsweise einen Minimalwert,
der zwischen 0,5 mm und 5 mm liegt.
Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel,
die sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über
einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich erstreckt,
gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem
in dem Schaufelblattbereich ein Hohlraum erzeugt wird, der
zumindest bereichsweise von einer Schaufelwand mit geringer
Wandstärke umgeben ist, wobei eine Gießform in einer Heizzone
oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs der Turbinenschaufel
gehalten, die Gießform mit geschmolzenem Werkstoff
gefüllt und die Gießform so aus der Heizzone herausbewegt
wird, daß der Werkstoff zumindest in der Schaufelwand eine
geringe mittlere Korngröße wie ein konventionell gegossener
Werkstoff aufweist. Die Korngröße kann hierbei etwa im Bereich
von 4 mm bis 10 mm liegen. Selbstverständlich ist mit
einem Herausbewegen der Gießform aus der Heizzone auch umfaßt,
daß die Gießform feststeht und die Heizzone, insbesondere
repräsentiert durch eine Induktionsheizung, von der
Gießform wegbewegt wird.
Mit einem solchen Verfahren ist eine Turbinenschaufel mit
deutlich unterschiedlichen Wandstärken sowie auch ggf. mit
Bereichen aus Vollmaterial herstellbar, bei der die Legierung
poren- und lunkerfrei ist und in der gesamten Turbinenschaufel
weitgehend die gleiche Kornstruktur aufweist. Mit dem
Verfahren läßt sich eine Turbinenschaufel mit einem geringen
Querschnittsprofil und damit einem geringen Gewicht herstellen,
wodurch eine Reduzierung der mechanischen Belastung eines
Schaufelfußes, der in einem Rotor einer Gasturbine zur
Verankerung angebracht ist, sowie des Rotors selbst erreicht
wird. Hierdurch ist ebenfalls erreicht, eine Turbinenschaufel
mit einem langen Schaufelblattbereich, insbesondere für die
Verwendung in einer stationären Gasturbine bei hohen Temperaturen
von deutlich über 1000 °C herzustellen.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
werden die Turbinenschaufel sowie das Verfahren zur
Herstellung der Turbinenschaufel näher erläutert. Es zeigen
schematisiert unter Darstellung der für die Erläuterung verwendeten
konstruktiven und funktionellen Merkmale:
- FIG 1
- eine Längsaufsicht auf eine Turbinenschaufel,
- FIG 2
- einen Verlauf der Querschnittsfläche der Turbinenschaufel über die Höhe der Turbinenschaufel,
- FIG 3
- einen Querschnitt durch die Turbinenschaufel, und
- FIG 4
- einen Ausschnitt einer Vorrichtung zur thermisch kontrollierten Erstarrung einer Turbinenschaufel.
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren 1 bis 4 jeweils
die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt eine Längsaufsicht auf eine Turbinenschaufel 1,
die sich entlang einer Hauptachse 2 von einem Fußbereich 3
über einen Schaufelblattbereich 4 zu einem Kopfbereich 5 erstreckt.
In drei Ebenen 12, die senkrecht zur Hauptachse 2
stehen, ist jeweils schematisch die Querschnittsfläche 13 der
Turbinenschaufel 1 dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 weist
in dem Schaufelblattbereich 4 in Richtung zu dem Kopfbereich
5 einen Hohlraum 6 auf, so daß die Turbinenschaufel 1 eine
Schaufelwand 7 mit bereichsweise geringer Wandstärke aufweist.
In Richtung des Fußbereichs 3 weist der Schaufelblattbereich
4 einen Hohlquerschnitt auf, durch den ein den Hohlraum
freihaltender Kern entnehmbar ist. Die Turbinenschaufel
1 hat einen Anströmbereich 11 zur Anströmung mit einem Heißgas
10 (siehe Figur 3) sowie einen Abströmbereich 9. Anströmbereich
11 und Abströmbereich 9 sind senkrecht zur Hauptachse
2 mit einem Abstand D voneinander beabstandet. Dieser Abstand
D nimmt von dem Schaufelfußbereich 3 zu dem Kopfbereich 5 hin
kontinuierlich ab.
In Figur 3 ist ein Querschnitt durch die Turbinenschaufel 1
in der Ebene 12 dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 wird von
dem Heißgas 10 von dem Anströmbereich 11 in Richtung des Abströmbereichs
9 umströmt.
In Figur 2 ist die Querschnittsfläche der Turbinenschaufel 1
(siehe Kurve II) über die Höhe H der Turbinenschaufel 1 dargestellt.
Von dem Kopfbereich 5 in den Schaufelblattbereich 4
hinein ist die Querschnittsfläche über eine Länge L im wesentlichen
konstant. Weiter in Richtung zu dem Fußbereich 3
nimmt die Querschnittsfläche der Turbinenschaufel 1 kontinuierlich,
insbesondere exponentiell zu. Im Vergleich hierzu
(Kurve I) ist die Querschnittsfläche über die Schaufelhöhe H
einer Turbinenschaufel 1 dargestellt, welche nach einem herkömmlichen
Gießverfahren hergestellt ist. Die Querschnittsfläche
der so hergestellten Turbinenschaufel (Kurve I) nimmt
von dem Kopfbereich 5 zu dem Fußbereich 3 kontinuierlich zu,
um einen Ausgleich des bei der Erstarrung auftretenden
Schwundes zu erzielen. Das herkömmliche Gießverfahren erfordert
zudem eine Mindestwandstärke an dem Kopfbereich der Turbinenschaufel,
so daß die durch den herkömmlichen Gießprozeß
bedingten Wandstärken im Kopfbereich bzw. dem dem Kopfbereich
zugewandten Schaufelblattbereich größer sind, als die durch
die Werkstoffestigkeit tatsächlich erforderliche Wandstärke.
Die hierdurch entstehende zusätzliche Masse im Kopfbereich
führt zu einer starken Zunahme der Fliehkraftbelastung im
Fußbereich, die aus Festigkeitsgründen eine Vergrößerung des
Querschnitts der Turbinenschaufel im Fußbereich erfordern.
Diese Einschränkungen des herkömmlichen Gießprozesses führen
zu deutlich schwereren Turbinenschaufeln als dies aus Gründen
der Festigkeit erforderlich wäre. Darüber hinaus nimmt mit
dem Gewicht der Turbinenschaufel 1 auch die Belastung im Fußbereich
3, mit dem die Turbinenschaufel 1 in einem Rotor einer
Gasturbine befestigt ist sowie in dem Rotor selbst zu.
Durch die Herstellung einer Turbinenschaufel 1 mit einer kontrollierten
thermischen Erstarrung, bei der die Legierung poren- und lunkerfrei mit einem Gefüge mit geringer mittlerer
Korngröße erstarrt, sind hingegen Turbinenschaufeln geringeren
Gewichtes und größerer Höhe einfach herstellbar.
Figur 4 zeigt in einem Längsschnitt einen Ausschnitt durch
eine Heizzone 15, die in einem nicht dargestellten Vakuumofen
angeordnet ist. In der Heizzone 15 ist eine Gießform 14 für
eine Turbinenschaufel 1 dargestellt. Die Gießform 14 ist auf
einer Tragplatte 17 angeordnet und von einer Induktionsheizung
16 umgeben. Die Gießform 14 ist zur Tragplatte 17 hin
verschlossen. Die Gießform 14 wird auf eine Temperatur oberhalb
des darin zu erstarrenden Werkstoffs, insbesondere einer
Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierung, erwärmt. In die
Gießform 14 wird der geschmolzene Werkstoff eingefüllt und
danach die Gießform mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit
aus der Induktionsheizung 16 heraus bzw. die Induktionsheizung
16 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in vertikaler
Richtung von der Gießform 14 wegbewegt. Die Durchführung des
Verfahrens erfolgt analog dem in dem Artikel "Thermal Analysis
from Thermally-controlled solidification (TCS) Trials on
Large Investment Cases" von Patrick D. Ferro et al beschriebenen
Verfahren der thermisch kontrollierten Erstarrung, wobei
die Prozeßparameter entsprechend der Herstellung von insbesondere
großen Turbinenschaufeln, wie für eine stationäre
Gasturbine, modifiziert sind.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenschaufel aus,
die einen Werkstoff, insbesondere einen Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierung,
aufweist, der ein im wesentlichen lunker- und porenfreies Gefüge mit einer mittleren Korngröße
ähnlich der eines konventionell gegossenen Werkstoff besitzt.
Die Turbinenschaufel läßt sich durch ein thermisch kontrolliertes
Erstarrungsverfahren auch im Bereich dünner Wandstärken
herstellen. Das Verfahren zeichnet sich u.a. dadurch aus,
daß die Turbinenschaufel auch in Bereichen unterschiedlicher
Wandstärke sowie in Bereichen aus Vollmaterial im wesentlichen
dieselbe Kornstruktur aufweist. Hierdurch lassen sich
Turbinenschaufeln für höhere Materialtemperaturen und mit
längerem Schaufelblattbereich herstellen als durch herkömmliche
Gießverfahren. Es lassen sich ebenfalls große dünnwandige
hohle Turbinenschaufeln herstellen.
Claims (11)
- Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel (1), welche sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (3) über einen Schaufelblattbereich (4) zu einem Kopfbereich (5) erstreckt, und zumindest in dem Schaufelblattbereich (4) einen Hohlraum (6) aufweist, der zumindest bereichsweise von einer Schaufelwand (7) geringer Wandstärke umgeben ist, wobei die Schaufelwand (7) einen metallischen Werkstoff (8) mit geringer mittleren Korngröße in der Größenordnung der Korngröße eines konventionell gegossenen Werkstoffs aufweist.
- Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der sich die Wandstärke der Schaufelwand (7) in Richtung des Kopfbereiches (5) verringert.
- Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2, die in einer Ebene (12) senkrecht zur Hauptachse (2) eine Querschnittsfläche (13) aufweist, welche Querschnittsfläche (13) sich in Richtung des Kopfbereiches (5) verringert.
- Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 3, bei der die Querschnittsfläche (13) vom Kopfbereich (5) in Richtung des Fußbereichs (3) über eine Länge (L) im wesentlichen konstant ist.
- Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 4, bei der die Länge (L) zwischen 15% und 40% der Höhe (H) des Schaufelblattbereichs (4) beträgt.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Höhe (H) des Schaufelblattbereichs (4) zwischen 5 cm und 70 cm beträgt.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Anströmbereich (11) sowie einen davon beabstandetet Abströmbereich (9) für ein heißes Fluid (10) aufweist, welche sich jeweils von dem Fußbereich (3) zu dem Kopfbereich (5) erstrecken, wobei sich der Abstand (D) zwischen Anströmbereich (11) und Abströmbereich (9) in Richtung des Kopfbereiches (5) verringert.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Werkstoff (8) eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis- Superlegierung ist.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wandstärke der Schaufelwand (7) einen Minimalwert zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweist.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Laufschaufel (1a) oder Leitschaufel (1b) einer Gasturbine, insbesondere einer stationären Gasturbine, ausgebildet ist.
- Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1), die sich entlang einer Hauptachse (2) von einem Fußbereich (3) über einen Schaufelblattbereich (4) zu einem Kopfbereich (5) erstreckt, und zumindest in dem Schaufelblattbereich (4) einen Hohlraum (6) aufweist, der zumindest bereichsweise von einer Schaufelwand (7) geringer Wandstärke umgeben ist, wobei eine Gießform (14) in einer Heizzone (15) oberhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs (8) der Turbinenschaufel (1) gehalten, die Gießform mit geschmolzenem Werkstoff (8) gefüllt und die Gießform so aus der Heizzone herausbewegt wird, daß der Werkstoff (8) zumindest in der Schaufelwand (7) eine geringe mittlere Korngröße, wie ein konventionell gegossener Werkstoff (8) aufweist.
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