EP0998361B1 - Turbinenschaufel sowie anwendung eines bekannten verfahrens zu deren herstellung - Google Patents

Turbinenschaufel sowie anwendung eines bekannten verfahrens zu deren herstellung Download PDF

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EP0998361B1
EP0998361B1 EP98943748A EP98943748A EP0998361B1 EP 0998361 B1 EP0998361 B1 EP 0998361B1 EP 98943748 A EP98943748 A EP 98943748A EP 98943748 A EP98943748 A EP 98943748A EP 0998361 B1 EP0998361 B1 EP 0998361B1
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EP
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blade
turbine blade
region
turbine
area
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EP98943748A
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EP0998361A1 (de
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Burkhard Bischoff-Beiermann
Winfried Esser
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 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 is replaced by a Control over the beginning of grain growth reached.
  • 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 solidus 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 nickel or Cobalt based alloy in single crystal form, with a Cast total length of about 10 cm.
  • EP-0 010 538 A1 describes a speed-controlled Procedure for directional solidification and one after this Process produced casting specified.
  • the ratio of temperature gradient G and solidification rate R For the targeted Solidification of a casting is of particular importance the ratio of temperature gradient G and solidification rate R.
  • the ratio of G to R a certain characteristic Exceed the value so that a directed solidification takes place.
  • the directional solidification is mainly used to make a casting for a gas turbine, which has a stem-like grain structure, a single crystal or is a one-dimensional eutectic. application finds the method of directional solidification in superalloys like U-700, B-1900, Mar-M 200 and IN-100.
  • the speed was between in the case of radiation cooling 7.5 cm / h and 33 cm / h.
  • the directionally solidified casting became cast as a full body.
  • EP 0 750 956 A2 describes a method for producing a molded in one piece and exposed to high temperatures Hollow body specified with a thin wall.
  • a corresponding Mold for such a hollow body consists of a ceramic core which is surrounded with wax and in which a thin layer of silicate is applied around the wax which is on the one hand with the ceramic core and on the other hand connected with another ceramic coating is that during the pouring of metal there is no deformation occur.
  • the wall thicknesses that can be achieved with the method for non-directional solidification between 0.25 mm and 1 mm, for directionally solidified and single-crystal structures in the area be between 0.076 mm and 1 mm.
  • the preferred The method is used for the production of single-crystalline ones Structures, for example for wings of space gliders or gas turbine guide vanes as deflection nozzles for Aircraft engines.
  • the process serves to ensure temperature resistance the thus cast hollow body up to 2300 ° C pull up.
  • 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 an induction heater in a heating zone and is moved out of this heating zone to solidify the molten metal, so that the molten metal is cooled and solidified by radiation cooling.
  • the production of a casting mold and the construction of a corresponding furnace are described, for example, in US Pat. No. 4,724,891.
  • the ratio of the area of the area with small wall thickness and the wall thickness is at least 40.
  • DE-AS 1 007 565 shows a hollow turbine blade that extending along a major axis from a foot area over a The airfoil area extends to a head area, wherein there is a wall thickness of the blade wall in the direction of the head area continuously and steadily reduced. Likewise reduced a cross-sectional area in a plane perpendicular to the main axis.
  • the increase in the cross section of the cavity from Foot to the head is so strong that the cross section of the material is tapered from foot to head.
  • the turbine blade consists of two parts by soldering, welding or the like are interconnected.
  • the object of the invention is a turbine blade made of metal, in particular a turbine blade for a gas turbine, specify. Another task is to use one known method for producing a Show turbine blade.
  • the grain structure is essentially undirected, i.e. quasi-isotropic.
  • Opposite single crystal or directional rigid turbine blades are therefore equiaxed Grain structure before, with the grains essentially without preferential direction are oriented.
  • the cross-sectional area is perpendicular in one plane to the major axis from the head area to the foot area.
  • 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.
  • the blade wall has a parallelism, contrary to a necessarily conical shape of known turbine blades, which are not solidified in a single crystal or directionally solidified.
  • 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 length of the cross-sectional area from the head area in Direction of the foot area is substantially constant preferably between 15% and 40% of the total amount of Blade area.
  • the height of the airfoil area is preferably between 5 cm and 70 cm. turbine blades with a large height can be found especially in stationary Gas turbine application. For turbine blades of a stationary one Gas turbine may be an adjustment of the process parameters of the thermally controlled solidification process.
  • 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 void is created in the airfoil area that at least in areas of a blade wall with less Wall thickness is surrounded, with a mold in a heating zone above the melting temperature of the material of the turbine blade held the mold with molten material filled and the mold is moved out of the heating zone is that the material at least in the blade wall small average grain size like a conventionally cast Has material.
  • the grain size can be in the blade wall be between 0.5 mm and 5 mm and e.g. in the blade root are in the range of 4 mm to 10 mm. In cross section There may be only a few grains on the blade wall.
  • moving out of the Mold from the heating zone also includes that the mold is fixed and the heating zone, in particular represented by a Induction heating that is moved away from the mold.
  • 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.
  • the alloy, especially a cobalt alloy can also be in an oven be poured and then cooled outside the oven in a controlled manner become.
  • the alloy is preferably used as an investment casting cast.
  • 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 4 clear core can be removed.
  • 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 Main axis 2 spaced apart by a distance D. This distance D increases from the blade root area 3 to the Head area 5 continuously from.
  • FIG. 3 shows a cross section through the door bucket blade 1 shown in level 12.
  • the turbine blade 1 is from the hot gas 10 from the inflow region 11 in the direction of the outflow region 9 flows around.
  • 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 a substantially blow-through and pore-free structure with a medium 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, e.g. in the last Stages of a stationary gas turbine can be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • 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 Erfingung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1).

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 Turbinenschaufei, insbesondere einer Gasturbinenschaufel.
In der DE-AS 22 42 111 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken, insbesondere Gasturbinenschaufein, 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 wird 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 Soliduspegel 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 Wachstum 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 Nickeloder Kobaltbasislegierung in einkristalliner Form, mit einer Gesamtlänge von etwa 10 cm gegossen.
In der EP-0 010 538 A1 sind ein geschwindigkeitskontrolliertes 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 der US-PS 2,916,258 ist eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, beschrieben, welche auf einem Läufer in einer in Umfangsrichtung liegenden Reihe angeordnete Schaufeln gleicher Länge aufweist. Jede Schaufel hat hierbei eine Massenverteilung, welche sich von der Massenverteilung sämtlicher anderer Schaufeln der gleichen in Umfangsrichtung liegenden Reihen unterscheidet. Hierdurch wird ein bestimmtes Schwingungssystem hergestellt, welches die Vibrationen zwischen den Schaufeln verringern soll.
In der EP 0 750 956 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines einstückig gegossenen, einer hohen Temperatur aussetzbaren Hohlkörpers mit einer dünnen Wand angegeben. Eine entsprechende Gußform für einen solchen Hohlkörper besteht aus einem keramischen Kern, welcher mit Wachs umgeben wird und bei dem um das Wachs eine dünne Silikat-Schicht aufgebracht wird, welche einerseits mit dem keramischen Kern und andererseits mit einer weiteren keramischen Umhüllung so verbunden ist, daß während des Eingießens von Metall keine Deformationen auftreten. Die mit dem Verfahren erzielbaren Wandstärken sollen für ungerichtete Erstarrung zwischen 0,25 mm und 1 mm, für gerichtet erstarrte und einkristalline Strukturen im Bereich zwischen 0,076 mm und 1 mm betragen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Herstellung von einkristallinen Strukturen, beispielsweise für Flügel von Raumgleitern oder Gasturbinenleitschaufeln als Umlenkdüsen für Flugtriebwerke. Das Verfahren dient dazu, die Temperaturbeständigkeit der so gegossenen Hohlkörper bis auf 2300 °C hochzusetzen.
In dem Artikel "Thermal analyses from thermally 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.
Die DE-AS 1 007 565 zeigt eine hohle Turbinenschaufel, die sich entlang einer Hauptachse von einem Fußbereich über einen Schaufelblattbereich zu einem Kopfbereich erstreckt, wobei sich eine Wandstärke der Schaufelwand in Richtung des Kopfbereiches kontinuierlich und stetig verringert. Ebenso verringert sich eine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse.
Das Anwachsen des Hohlraumquerschnitts vom Fuß bis zum Kopf ist so stark, daß eine Verjüngung des Werkstoffquerschnitts vom Fuß bis zum Kopf erfolgt. Die Turbinenschaufel besteht aus zwei Teilen, die durch Löten, Schweißen oder ähnlichem miteinander verbunden sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel aus Metall, insbesondere eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Verwendung eines an sich bekannten Verfahrens zur Herstellung einer Turbinenschaufel aufzuzeigen.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenschaufel 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 einer mittleren Korngröße in der Größenordnung der Korngröße eines konventionell gegossenen Werkstoffes aufweist. Die Kornstruktur ist hierbei im wesentlichen ungerichtet, d.h. quasi-isotrop. Gegenüber einkristallin oder gerichtet erstarrten Turbinenschaufeln liegt somit eine equiaxed Kornstruktur vor, bei der Körner im wesentlichen ohne Vorzugsrichtung orientiert sind.
Dabei 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. In diesem Bereich weist die Schaufelwand eine Parallelität auf, entgegen einem notwendigerweise konischen Verlauf bekannter Turbinenschaufeln, welche nicht einkristallin oder gerichtet erstarrt sind. 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 in der Schaufelwand zwischen 0,5 mm und 5 mm betragen und z.B. im Schaufelfuß etwa im Bereich von 4 mm bis 10 mm liegen. Im Querschnitt der Schaufelwand können ggf. nur wenige Körner vorliegen. 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. Die Legierung, insbesondere eine Kobaltlegierung, kann auch in einem Ofen gegossen werden und außerhalb des Ofens dann kontrolliert abgekühlt werden. Vorzugsweise wird die Legierung als Feinguß gegossen.
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 4 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 Türbinenschaufel 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 einer "equiaxed" erstarrten Kornstruktur, 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, wie sie z.B. in den letzten Stufen einer stationären Gasturbine verwendet werden.

Claims (8)

  1. Turbinenschaufel (1) aus Metall, 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 sich die Wandstärke der Schaufelwand (7) in Richtung des Kopfbereiches (5) verringert, und
    wobei die Turbinenschaufel (1) in einer Ebene (12) senkrecht zur Hauptachse (2) eine Querschnittsfläche (13) aufweist, die sich in Richtung des Kopfbereichs (5) zumindest bereichsweise verringert,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelwand (7) einen metallischen Werkstoff (8) mit einer ungerichteten Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße in der Größenordnung der Korngröße eines konventionell gegossenen Werkstoff aufweist, und
    dass die Querschnittsfläche (13) vom Kopfbereich (5) in Richtung des Fußbereichs (3) über eine Länge (L) im wesentlichen konstant ist.
  2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    bei der die Länge (L) zwischen 15% und 40% einer Höhe (H) des Schaufelblattbe-reichs (4) beträgt.
  3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2,
    bei der die Höhe (H) des Schaufelblattbereichs (4) zwi-schen 5 cm und 70 cm beträgt.
  4. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    die einen Anströmbereich (11) sowie einen davon beabstandet Abströmbereich (9) für ein heißes Fluid (10) auf-weist, welche sich jeweils von dem Fußbereich (3) zu dem Kopfbereich (5) erstrecken, wobei sich ein Abstand (D) zwischen dem Anströmbereich (11) und dem Abströmbereich (9) in Richtung des Kopfbereiches (5) verringert.
  5. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    bei der der Werkstoff (8) eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis- Superlegierung ist.
  6. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    bei der die Wandstärke der Schaufelwand (7) einen Minimalwert zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweist.
  7. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    die als Laufschaufel (1a) oder Leitschaufel (1b) ei-ner Gasturbine, insbesondere einer stationären Gasturbine, ausgebildet ist.
  8. Anwendung eines an sich bekannten Verfahrens zum Giessen einer metallischen Turbinenschaufel,
    bei dem eine Gießform (14) in einer Heißzone (15) oberhalb der Schmelztemperatur eines Werkstoffs (8) der Turbinenschaufel (1) gehalten,
    die Gießform (14) mit geschmolzenem Werkstoff (8) gefüllt, und
    die Gießform so aus der Heizzone (15) herausbewegt wird, so dass der Werkstoff (8) zumindest in der Schaufelwand (7) eine ungerichtete Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße, wie ein konventionell gegossener Werkstoff (8) aufweist,
    zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1), insbesondere einer Gasturbinenschaufel, gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
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