EP0945201A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gusskernes, zur Bildung eines zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlraumes innerhalb eines Gussteils - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Gusskernes, zur Bildung eines zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlraumes innerhalb eines Gussteils Download PDF

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EP0945201A1
EP0945201A1 EP98810250A EP98810250A EP0945201A1 EP 0945201 A1 EP0945201 A1 EP 0945201A1 EP 98810250 A EP98810250 A EP 98810250A EP 98810250 A EP98810250 A EP 98810250A EP 0945201 A1 EP0945201 A1 EP 0945201A1
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casting
core
roughness
cooling
roughened
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/18—Finishing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cast core, the to form a cavity provided for cooling purposes within a casting is used, through which a cooling medium is conductive and the cavity create enclosing surface areas via predeterminable heat transfer blessings between the coolant and the casting.
  • Casting cores are molded parts provided in a mold, which are placed in the mold Displace cast, solidifiable material and in this way in the cast End product, the casting form cavities.
  • end products concern
  • turbine blades which are very common in a gas turbine system exposed to high temperatures.
  • these are provided with internal cooling channels in a manner known per se, a cooling medium, preferably cooling air or water vapor, for cooling purposes, is directed.
  • a cooling medium preferably cooling air or water vapor, for cooling purposes
  • combustion chamber walls targeted cooling and to provide them with cooling channels accordingly.
  • a major advantage of rough surfaces in terms of a desired increase in the heat transfer from a heated component to a cooling medium compared to the previously known measures of using ribs and pins or similar heat transfer-increasing internals lies essentially in the significantly lower pressure loss that occurs when flowing through of the cooling medium through a roughened "cooling channel.
  • the ordinate of the diagram shown in FIG. 1 shows the drag coefficient f that a flow has when flowing through a flow channel as a function of the Reynolds numbers Re plotted on the abscissa of the diagram.
  • the graphs a to e entered in the diagram represent flow situations for different types of fins, in which a flow flows through a flow channel provided with fins.
  • the solid line corresponds to the flow of a flow channel with a smooth surface.
  • the dashed line plotted immediately above the solid line represents a flow case in which the flow channel has a roughened surface with a roughness ratio R / k S of 60.
  • R here means the hydraulic radius of the flow channel and k S corresponds to the size of the equivalent sand grain roughness the surface.
  • the ratio R / k S of 60 corresponds to a roughness increase of approx. 80 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows a diagram showing the thermal power "of turbulators, such as fins, in contrast to a roughened surface.
  • the values plotted on the ordinate of the diagram in FIG. 2 G ( St / St 0 ) / ( f / f 0 ) 1 3rd show the relative increase in heat transfer for the same pumping power in the system. These values therefore give the Thermal performance "of the system (the fins) and thus their relative quality compared to the smooth channel.
  • the molded parts equipped with cooling channels are preferably produced using a casting process manufactured and serve, for example, as to be subjected to heat Assemblies of gas turbine plants.
  • the cooling channels some of which are very delicate, for example within a turbine blade, are after completion of the Turbine blade from outside difficult or not at all for local reworking accessible. Solutions have to be found with which one desired surface roughness, the surface quality of which determined Roughness values must correspond to can be obtained. Because the concerned End products have to be manufactured as part of a casting process the desired surface roughness can be found before or during the casting process or during cooling of the cast end product to obtain.
  • the invention is therefore based on the object of taking measures that a desired surface roughness during the casting process Can produce end product.
  • a desired surface roughness during the casting process Can produce end product.
  • inaccessible Cavities within the end product, which are preferably designed as cooling channels are already over a desired surface roughness without post-treatment steps feature.
  • the invention is based on the idea of producing the casting process Voids within the casting cores to be provided within the final product to be manufactured to be covered with an artificial roughness that occurs during the casting process transfers to the surface of the end product to be produced, preferably on those surface areas that enclose a cavity that in the finished Casting forms a cooling channel.
  • the formation of a cavity within of the finished product provided by prior processing on its Surface can be roughened.
  • the one transferred to the surface of the cast core The degree of roughness can be applied, for example, using a core tool.
  • the surface of the core tool is eroded to a desired level using spark erosion Measure roughened.
  • the degree to be applied to the core tool Roughness can be caused by the electrical voltage to be applied to the spark electrode and / or by choosing a distance between the spark electrode and the surface to be roughened Core tool can be set specifically.
  • the surface roughness applied in this way to the surface of the cutting tool is transferred as part of the manufacturing process for the casting core on the casting core and then during the casting process and the subsequent cooling of the end product to the corresponding inner surface contour of the end product.
  • Cast cores are usually made from a moldable mass that must be fired to harden. Shaped cast cores are considered as before firing green cores "and can be roughened to bring about a surface roughness in this or in the fired state by means of sandblasting or targeted further roughening techniques, such as grinding and emery processes.
  • the casting core can also be used as a green core with the help of a cold or heated one Tool that has a defined roughness structure by ordinary Pressing the surface of the cast core to be roughened.
  • the surface roughness should be adjusted so that it meets the following flow conditions, that prevail within the cooling channel and the desired Heat transfer coefficient is adjusted.
  • the associated roughness variable R / k S can be read from the diagram according to FIG. 3 (referred to below) and used for the production of the core tool.
  • the diagram in FIG. 3 shows the dependence of the resistance coefficient f on the Reynolds number Re for different roughness heights k s / 2R.
  • the smooth channel has a very small roughness, typically with a roughness Reynolds number Re k ⁇ 5. This relationship is also known from the books by Hays + Crawford, Convectiv Heat and Mass Transfer ", Mc Graw Hill Inc., ISBN 0-07-033721-7, 1993 or O. Tietjens, Fluid Mechanics, Part 2 ", Springer Verlag, 1970.
  • the curves entered in FIG. 3 each assume a constant value for the resistance number f for different values of the roughness height k s / 2R, provided that they are to the right of this line in the diagram.
  • the resistance coefficient f increases by about 33%.
  • FIGS. 5 are cross sections through a cooling wall surface in the partial figures a and b 3 shown, which is each provided with ribs.
  • two ribs 1, 2 stand vertically above the cooling wall surface 3 and for the cooling flow KS flowing over the fins 1, 2 represents a resistance.
  • the flow KS passing through the cooling channel is from each rib train detached from the wall 3, behind each rib train in the flow direction Form leewer vortex 4 and in the direction of flow in front of each rib line accumulation vortex 5.
  • FIGS. 4a and 4b show that the length L of the separation area, in which the flow is spaced from the cooling wall after each rib pull, is shortened by the wall roughness. This means that in roughened case "the ribs can be brought closer together and thus the heat load per length of the component can be increased.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gußkernes, der zur Bildung eines zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlraumes innerhalb eines Gußteils verwendet wird, durch welchen ein Kühlmedium leitbar ist, wobei der Gußkern Oberflächenbereiche aufweist, in die gezielt eine Oberflächenrauhigkeit eingebracht wird, die sich während des Gießvorganges auf den Hohlraum einschließende Oberflächenbereiche überträgt und zu einer Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen Kühlmedium und Gußteil führt. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gußkernes, der zur Bildung eines zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlraumes innerhalb eines Gußteils verwendet wird, durch den ein Kühlmedium leitbar ist und deren den Hohlraum einschließende Oberflächenbereiche über vorgebbare Wärmeübergangsegenschaffen zwischen Kühlmedium und Gußteil verfügen.
Stand der Technik
Gußkerne sind in einer Gießform vorgesehene Formteile, die das in die Gießform eingegossene, erstarrungsfähige Material verdrängen und auf diese Weise im gegossenen Endprodukt, dem Gußteil Hohlräume bilden. Von besonderem Interesse ist die Herstellung von wärmeausgesetzten Produkten, die als Gußteile mit Hilfe der vorstehend bezeichneten Gußkerne gewonnen werden. Derartige Endprodukte betreffen beispielsweise Turbinenschaufeln, die den in einer Gasturbinenanlage sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Turbinenschaufeln werden diese in an sich bekannter Weise mit inneren Kühlkanälen versehen, durch die zu Kühlzwecken ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft oder Wasserdampf, geleitet wird. Durch die Kühlung mittels ständiger Wärmeabführung wird das Material der Turbinenschaufeln nicht auf die tatsächlich vorherrschenden Temperaturen aufgeheizt, wodurch das Material geschont und dessen Lebensdauer erheblich verlängert werden kann.
Auch im Bereich der in einer Gasturbinenanlage vorgesehenen Brennkammer ist es aus Gründen von materialerhaltenden Gesichtspunkten erforderlich, die Brennkammerwände gezielt zu kühlen und diese entsprechend mit Kühlkanälen zu versehen.
Bei der Kühlung von Turbinenschaufeln als auch bei der Kühlung von Brennkammerwänden tritt das Problem auf, daß der von außen auf die Bauteile gerichtete Wärmestrom möglichst effizient an das in den Kühlkanälen durchströmende Kühlfluid abgeführt werden soll. Aus diesem Grunde sollten die an dem Wärmeübergang beteiligten Wandflächen der Kühlkanäle möglichst hohe interne Wärmeübergangszahlen aufweisen. Zu diesem Zweck bedient man sich vorwiegend unterschiedlicher Anfachungsmechanismen, wie beispielsweise das Vorsehen von Rippen oder Pins zur Vergrößerung der lokalen Oberfläche über die der Wärmestrom an das Kühlfluid abgeführt wird.
Ferner ist es allgemein bekannt, daß rauhe Oberflächen einen höheren Wärmeübergang liefern als glatte Oberflächen. Dieser Effekt ist insbesondere abhängig von dem Verhältnis der Rauhigkeitshöhe bezogen auf den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals als auch von dem Verhältnis der lokalen Rauhigkeitshöhe bezogen auf die Dicke der laminaren Unterschicht der Strömungs- und Temperaturgrenzschicht, die sich beim Durchströmen eines Kühlfluids durch einen Kühlkanal einstellt. Rauhigkeitserhebungen an der Oberfläche eines Kühlkanals haben jedoch erst dann einen Einfluß auf eine Erhöhung des Wärmeübergangs, sofern sie die laminare Unterschicht in ihrer Höhe überragen.
Ein großer Vorteil von rauhen Oberflächen hinsichtlich einer gewünschten Erhöhung des Wärmeübergangs von einem erwärmten Bauteil auf ein Kühlmedium im Vergleich zu den vorstehend bekannten Maßnahmen der Verwendung von Rippen und Pins oder ähnlichen wärmeübergangserhöhenden Einbauten, liegt im wesentlichen in dem deutlich niedrigeren Druckverlust, der sich beim Durchströmen des Kühlmediums durch einen
Figure 00020001
aufgerauhten" Kühlkanal einstellt.
Dieser Zusammenhang soll anhand von Fig. 1 näher erläutert werden. Auf der Ordinate des in Fig. 1 dargestellten Diagramms ist der Widerstandsbeiwert f aufgetragen, den eine Strömung beim Durchströmen durch einen Strömungskanal in Abhängigkeit der auf der Abszisse des Diagramms aufgetragenen Reynolds-Zahlen Re aufweist. Die in das Diagramm eingetragenen Graphen a bis e stellen Strömungssituationen für verschiedene Rippenarten dar, in denen eine Strömung durch einen mit Rippenzügen versehenen Strömungskanal durchströmt. Die durchgezogene Linie entspricht dem Strömungsfall eines Durchströmungskanals mit glatter Oberfläche. Die unmittelbar oberhalb der durchgezogenen Linie aufgetragene strichlierte Linie stellt einen Strömungsfall dar, bei dem der Durchströmungskanal eine aufgerauhte Oberfläche aufweist, mit einem Rauhigkeitsverhältnis R/kS von 60. R bedeutet hierbei den hydraulischen Radius des Strömungskanals und kS entspricht der Größe der äquivalenten Sandkornrauhigkeit der Oberfläche. Für einen Durchströmungskanal mit einem Durchmesser von 10 mm entspricht das Verhältnis R/kS von 60 einer Rauhigkeitserhebung von ca. 80 µm. Anhand der in dem Diagramm der Figur 1 eingetragenen Funktionsverläufe kann deutlich gesehen werden, daß die rauhe Wand einen nur ungefähr 50% höheren Widerstand und somit Druckverlust aufweist, als ein glatt ausgebildeter Durchströmungskanal, aber einen beträchtlichen niedrigeren Druckverlust bzw. Widerstand aufweist, wie die berippten Strömungskanäle der Fälle a bis e.
Ein weiterer Aspekt, der für die Verwendung aufgerauhter Oberflächen in Kühlkanälen spricht, kann anhand der Figur 2 verdeutlicht werden, die ein Diagramm zeigt, das die thermische Leistung" von Turbulatoren, wie beispielsweise Rippen, im Unterschied zu einer aufgerauhten Oberfläche darstellt. Die an der Ordinate des Diagramms in Figur 2 aufgetragenen Werte G = (St/St 0)/(f/f 0) 13 zeigen die relative Erhöhung des Wärmeübergangs für eine gleiche Pumpleistung im System. Diese Werte geben somit die Thermische Leistung" des Systems (der Rippen) und somit ihre relative Güte verglichen zum glatten Kanal an. Ein Wert von G=1 entspricht in diesem Fall dem eines glatten Kanals.
Auf der Abszisse des Diagramms sind in aufsteigender Reihenfolge Reynoldszahlen Re des Kühlmediums innerhalb des Strömungskanals aufgetragen. Die Funktionsverläufe a bis e stellen die Güte verschiedener Rippenanordnungen innerhalb des Strömungskanals unter der Vorgabe einer konstanten zur Verfügung stehenden Pumpleistung dar. Deutlich zu erkennen ist die stete Abnahme der Güte G für verschiedene Rippenkonfigurationen mit steigenden Reynoldszahlen. Die strichlierte Linienführung stellt hingegen den Fall einer aufgerauhten Oberfläche innerhalb eines Kühlkanals dar, die im Gegensatz zu den vorstehenden Funktionsverläufen eine mit steigenden Reynoldszahlen ansteigende Kurve aufweist. Bereits bei Reynoldszahlen von ungefähr 100.000 weist die rauhe Wand bessere Wärmeübergangseigenschaften auf, als zwei bekannte, verschiedene Rippentypen. Extrapoliert man den Funktionsverlauf der rauhen Oberfläche zu noch höheren Reynoldszahlen, wie man sie beispielsweise bei Brennkammerkühlungen vorfindet, so ist die rauhe Oberfläche innerhalb von Kühlkanälen die beste Lösung, falls die Aufgabe lautet mit einer gegebenen Pumpleistung die maximale Erhöhung im Wärmeübergang zu erhalten.
Dies liegt insbesondere daran, daß für sehr große Reynoldszahlen nur noch die Bedingungen in unmittelbarer Wandnähe von Bedeutung sind und die aufgebrachte Form der Turbulatoren lediglich die Außenströmung versperrt und damit den Druckverlust erhöht, jedoch nicht mehr zur Intensivierung der Wärmeübertragung an der Wand beiträgt.
Auf der Grundlage der vorstehenden Ausführungen über die Bedeutung eines gezielten Einbringens von Oberflächenrauhigkeiten in Kühlkanäle sollen Möglichkeiten der Herstellung gezielter Oberflächenrauhigkeiten insbesondere in Kühlkanälen angegeben werden.
Die mit Kühlkanälen ausgestatteten Formteile werden vorzugsweise mittels Gießverfahren hergestellt und dienen beispielsweise als mit Hitze zu beaufschlagende Baugruppen von Gasturbinenanlagen. Die zum Teil sehr filigran ausgestalteten Kühlkanäle, beispielsweise innerhalb einer Turbinenschaufel, sind nach Fertigstellung der Turbinenschaufel von außen nur schwer oder überhaupt nicht für eine lokale Nachbearbeitung zugänglich. Es müssen Lösungswege gefunden werden, mit denen eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit, deren Oberflächenbeschaffenheit bestimmten Rauhigkeitswerten entsprechen müssen, erhalten werden können. Da die betreffenden Endprodukte im Rahmen eines Gießprozesses hergestellt werden, müssen Wege gefunden werden, die gewünschte Oberflächenrauhigkeit bereits vor oder während des Gießverfahrens bzw. während des Erkaltens des gegossenen Endproduktes zu erhalten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, daß sich bereits während des Gießvorganges eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit beim Endprodukt herstellen läßt. Insbesondere soll erreicht werden, daß unzugängliche Hohlräume innerhalb des Endproduktes, die vorzugsweise als Kühlkanäle ausgebildet sind, ohne Nachbehandlungsschritte bereits über eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit verfügen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die für den Gießvorgang zur Erzeugung von Hohlräumen innerhalb des zu fertigenden Endproduktes vorzusehenden Gußkerne mit einer künstlichen Rauhigkeit zu überziehen, die sich während des Gießvorganges auf die Oberfläche des herzustellenden Endproduktes überträgt, vorzugsweise auf jene Oberflächenbereiche die einen Hohlraum umschließen, der im fertiggestellten Gußteil einen Kühlkanal bildet.
Vorzugsweise ist erkannt worden, daß der für die Bildung eines Hohlraumes innerhalb des Endproduktes vorgesehene Gußkern durch vorherige Bearbeitung an seiner Oberfläche aufgerauht werden kann. Der auf die Oberfläche des Gußkerns übertragene Rauheitsgrad kann bspw. mittels eines Kernwerkzeuges aufgebracht werden. Hierzu wird die Oberfläche des Kernwerkzeuges mittels Funkenerosion auf ein gewünschtes Maß aufgerauht. Den Grad der auf das Kernwerkzeug aufzubringenden Rauhigkeit kann durch die an die Funkenelektrode anzulegende elektrische Spannung und/oder durch Abstandswahl zwischen Funkenelektrode und aufzurauhendem Kernwerkzeug gezielt eingestellt werden.
Die auf diese Weise auf die Oberfläche des Kerwerkzeuges aufgebrachte Oberflächenrauhigkeit überträgt sich im Rahmen des Herstellungsprozesses für den Gußkern auf den Gußkern und anschließend während des Gießprozesses sowie des nachfolgenden Erkaltens des Endproduktes auf die entsprechende innere Oberflächenkontur des Endproduktes.
Gußkerne werden für gewöhnlich aus einer modellierbaren Masse hergestellt, die zum Aushärten gebrannt werden müssen. Geformte Gußkerne werden vor dem Brennen als grüne Kerne" bezeichnet und können zum Einbringen einer Oberflächenrauhigkeit in diesem oder im gebrannten Zustand mittels Sandstrahlen oder gezielten weiteren Aufrauhtechniken, wie beispielsweise Schleif- und Schmirgelvorgängen, aufgerauht werden.
Ebenso kann der Gußkern als grüner Kern mit Hilfe eines kalten oder erwärmten Werkzeuges, das über eine definierte Rauhigkeitsstruktur verfügt, durch gewöhnliches Einpressen der Oberfläche des Gußkernes aufgerauht werden.
Natürlich sind auch weitere Aufrauhtechniken denkbar, die zu einer gezielten Oberflächenrauhigkeit auf dem Gußkern führen; wesentlich ist das Vorsehen einer derartigen definierten Rauhigkeit auf dem Gußkern, durch den eine gezielt eingestellte Oberflächenrauheit im Endprodukt, beispielsweise im Kühlkanal einer Turbinenschaufel oder im Kühlkanal einer Brennkammerwand herstellbar ist.
Die Oberflächenrauhigkeit ist derart einzustellen, daß sie den nachfolgenden Strömungsbedingungen, die innerhalb des Kühlkanals vorherrschen und der gewünschten Wärmeübergangszahl angepaßt wird.
Grundsätzlich gilt folgende Beziehung zwischen dem Widerstandsbeiwert f und der Wärmeübergangszahl α bzw. der Stanton-Zahl St: αα0 = St St0 = f f 0 0,63
In der vorstehenden Gleichung stehen die mit dem Index Null bezeichneten Größen für Referenzgrößen eines glatten Kanals, während die indexlosen Größen für einen rauhen Kanal gelten. Für den Fall, daß das Verhältnis f/ f0 > 4 wird, ist dieses Verhältnis gleich 4 zu setzen.
Nach Bestimmung der gewünschten Wärmeübergangszahlerhöhung kann aus der Diagrammdarstellung gemäß Fig. 3 (wird im weiteren Bezug genommen) die zugehörige Rauhigkeitsgröße R/kS abgelesen werden und für die Herstellung des Kernwerkzeuges verwendet werden. Die maximal erreichbare Erhöhung des Wärmeübergangs liegt hierbei jedoch bei St/St0 = 2,4. Es macht also keinen Sinn, Rauhigkeiten einzusetzen, die den Widerstandsbeiwert mehr als 4 mal so groß machen wie im Falle einer glatten Kanalwandoberfläche.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
Diagrammdarstellung zur Darstellung des Widerstandsbeiwertes f von verschieden ausgebildeten Kühlkanälen,
Fig. 2
Diagrammdarstellung der Gütefunktion von unterschiedlich ausgestalteten Kühlkanälen,
Fig. 3
Widerstandsbeiwert als Funktion der Reynoldszahl für verschiedene Wandrauhigkeiten und
Fig. 4a, b
Tabellen zur Erhöhung des Wärmeübergangs bei einer gezielten Einbringung von Rauhigkeiten für verschiedene Reynolds-Zahlen und
Fig. 5 a, b
schematisierte Querschnittsdarstellung einer mit Rippenzügen versehenen Wand ohne bzw. mit Oberflächenrauhigkeit.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Auf die Fig. 1 und 2 sind in den vorstehenden Ausführungen Bezug genommen.
Das Diagramm in Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des Widerstandsbeiwerts f von der Reynoldszahl Re für verschiedene Rauhigkeitshöhen ks/2R. Im Bild sind zunächst die beiden charakteristischen Kurven für den Verlauf des 'Widerstandsbeiwerts f für einen glatten Kanal s und den Grenzfall eines vollständig rauhen Kanals r gezeigt. Der glatte Kanal besitzt hierbei eine sehr kleine Rauhigkeit typischerweise mit einer Rauhigkeits-Reynoldszahl Rek < 5. Dieser Zusammenhang geht auch aus den Büchern von Hays + Crawford, Convectiv Heat and Mass Transfer", Mc Graw Hill Inc., ISBN 0-07-033721-7, 1993 oder O. Tietjens, Strömungslehre, 2. Teil", Springer Verlag, 1970, hervor.
Der zweite Fall liegt bei Rek = 70, der eine Grenzhöhe an Rauhigkeit darstellt. Wird diese Rauhigkeitshöhe überschritten, so kann beobachtet werden, daß der Widerstandsbeiwert für einen rauhen Kanal konstant bleibt für alle Reynoldszahlen.
Dementsprechend nehmen die in Figur 3 eingetragenen Kurven für verschiedene Werte der Rauhigkeitshöhe ks/2R jeweils einen konstanten Wert für die Widerstandszahl f an, sofern sie rechts von dieser Linie im Diagramm liegen.
Bei Erhöhung des Wärmeübergangs durch eine gezielte Rauhigkeitseinbringung um bspw. 20 %, im Vergleich zu einem glatten Kanal, d.h. 1,2·α0 erhöht sich der Widerstandsbeiwert f um etwa 33 %. Aus Figur 3 ergibt sich bspw. für eine Reynolds-Zahl von 100.000, daß mit einer Rauhigkeitserhöhung von ks/2R = 0,008 die gewünschte Erhöhung des Wärmeübergangs erreicht werden kann. Dies bedeutet, daß man für einen Kühlkanal mit einem Durchmesser von 10 mm eine Rauhigkeitserhebung von 40 µm benötigt, um die geforderte Erhöhung des Wärmeübergangs zu gewährleisten.
Aus den in Figur 4 a und b angegebenen Tabellen sind zwei Fälle für verschiedene Rauhigkeitshöhen R/kS zu entnehmen, die die resultierende Erhöhung des Wärmeübergangs St/St0 bei verschiedenen Reynolds-Zahlen Re verdeutlichen sollen. Man sieht deutlich, wie die Rauhigkeit den Wärmeübergang mit steigender Reynoldszahlen Re intensiviert.
Für R/kS = 60 ist bspw. die Wärmeübergangszahl bei einer Reynolds-Zahl von 100.000 um 50% größer als im Falle einer glatten Wand mit R/kS = 125 (vergleiche die zugehörigen St/St0-Werte).
In Fig. 5 sind in den Teilfiguren a und b Querschnitte durch eine Kühlwandoberfläche 3 dargestellt, die jeweils mit Rippenzügen versehen ist. Im Falle der Figur 4a erheben sich zwei Rippenzüge 1, 2 senkrecht über die Kühlwandoberfläche 3 und stellen für die über die Rippenzüge 1, 2 strömende Kühlströmung KS einen Widerstand dar. Die durch den Kühlkanal hindurchtretende Strömung KS wird von jedem Rippenzug von der Wand 3 abgelöst, wobei sich in Strömungsrichtung hinter jedem Rippenzug Leewirbel 4 und in Strömungsrichtung vor jedem Rippenzug Stauwirbel 5 bilden.
Beim Vorsehen einer Oberflächenrauhigkeit zwischen einzelnen Rippenzügen, wie es im Fallbeispiel der Figur 4b dargestellt ist, bewirkt die Rauhigkeit zwischen den Rippenzügen eine Veränderung der Strömung KS durch eine stärkere Wandschubspannung und somit eine Intensivierung der Wärmeübertragung.
Aus der Gegenüberstellung der Fig. 4a und 4b geht hervor, daß die Länge L des Ablösegebietes, in der die Strömung nach jedem Rippenzug von der Kühlwand beabstandet ist, durch die Wandrauhigkeit verkürzt wird. Dies bedeutet, daß im aufgerauhten Fall" die Rippen näher zusammengebracht werden können und somit die Wärmebelastung pro Länge des Bauteils erhöht werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Rippenzug
2
Rippenzug
3
Kühlwandoberfläche
4
Leewirbel
5
Stauwirbel
L
Länge des Ablösegebietes
KS
Kühlströmung

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gußkernes, der zur Bildung eines zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlraumes innerhalb eines Gußteils verwendet wird, durch welchen ein Kühlmedium leitbar ist, wobei der Gußkern Oberflächenbereiche aufweist, in die gezielt eine Oberflächenrauhigkeit eingebracht wird, die sich während des Gießvorganges auf den Hohlraum einschließende Oberflächenbereiche überträgt und zu einer Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen Kühlmedium und Gußteil führt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gußkerns einer gewünschten Wärmeübergangszahl angepaßt wird, die sich bei Überströmen der den Hohlraum einschließenden rauhen Oberflächenbereiche innerhalb des Gußteils mit dem Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, einstellt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Gußkern derart ausgebildet wird, daß sich der Hohlraum innerhalb des Gußteils als Strömungskanal ausbildet, der von aufgerauhten Oberflächenbereichen eingeschlossen wird, deren Oberflächenrauhigkeit durch das Verhältnis aus hydraulischem Radius R des Strömungskanals und der äquivalenten Sandkornrauhigkeit ks bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R/ks vorzugsweise etwa den Wert 60 - 120 annimmt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Gußkern aus einer modellierfähigen Masse besteht, die in einem weiteren Herstellungsschritt zum Aushärten gebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufrauhen der Oberflächenbereiche des Gußkernes ein Kernwerkzeuges verwendet wird, dessen Oberfläche mittels Funkenerosion gezielt aufgerauht wird..
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhten Oberflächenbereiche des Gußkerns mittels Sandstrahlen hergestellt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhten Oberflächenbereiche des Gußkerns mittels Einpressen von Rauhigkeitsstrukturen unter Verwendung kalter oder erwärmter Presswerkzeuge aufgerauht werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kernwerkzeug aufgerauht wird, noch bevor es zur Hertstellung des Gußkern verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß das fertiggestellte Gießteil eine mit Kühlkanälen durchsetzte Turbinenschaufel oder Brennkammer ist, deren Kühlkanalwände durch den Gießprozeß eine definierte Oberflächenrauhigkeit erhalten, die der Oberflächenrauhigkeit des Gußkernes entspricht.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß in den Gußkern Auskerbungen eingearbeitet werden, die beim Gießvorgang an der Hohlraumoberfläche des Gießteils Rippenzüge und eine definierte Rauhigkeit entstehen lassen.
EP98810250A 1998-03-23 1998-03-23 Verfahren zur Herstellung eines Gussteils mit aufgerauhten Kühlkanälen Expired - Lifetime EP0945201B1 (de)

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