EP1127635A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Giessen eines Werkstücks und Werkstück - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Giessen eines Werkstücks und Werkstück Download PDF

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EP1127635A1
EP1127635A1 EP00104001A EP00104001A EP1127635A1 EP 1127635 A1 EP1127635 A1 EP 1127635A1 EP 00104001 A EP00104001 A EP 00104001A EP 00104001 A EP00104001 A EP 00104001A EP 1127635 A1 EP1127635 A1 EP 1127635A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
casting
workpiece
cores
casting cores
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00104001A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dipl.-Ing. Tiemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP00104001A priority Critical patent/EP1127635A1/de
Priority to CNB018056229A priority patent/CN1273240C/zh
Priority to US10/204,692 priority patent/US6712120B2/en
Priority to PCT/EP2001/001014 priority patent/WO2001062414A1/de
Priority to EP01921269A priority patent/EP1257373B1/de
Priority to JP2001561465A priority patent/JP2003525125A/ja
Priority to DE50100652T priority patent/DE50100652D1/de
Publication of EP1127635A1 publication Critical patent/EP1127635A1/de
Priority to US10/753,399 priority patent/US20040140079A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/005—Casting metal foams

Definitions

  • the invention relates to a device for casting a Workpiece, in particular an internally cooled turbine blade, with a casting cavity in which casting cores are present, which create workpiece penetrating channels, as well as a method for casting a workpiece with the features of the generic term of claim 16 and a workpiece with the features the preamble of claim 18.
  • Hot gas pressurized, internally cooled turbine blades often cooled by a so-called film cooling At a Film cooling flows cooling air through holes from the inside of the blade profile to the outside. On the outside of the outer wall An air film forms on the blade profile, which is cooling works.
  • the holes are either cast directly or drilled afterwards.
  • For the cast holes cylindrical shaped for the continuous channels Casting cores in the two, the inside and outside of the outside wall forming mold parts attached. It thus arises Bores with a large bore diameter that are right are far apart. So you can find worse everywhere cooled areas between the film cooling holes. This is compensated for by the fact that a larger coolant flow than is actually needed to use this too adequately cool poorly cooled areas.
  • the object of the present invention is therefore a device for casting a workpiece without badly cooled Propose areas, especially if they are internally cooled Turbine blades are such a possibility sufficient film cooling with low coolant consumption to deliver.
  • the object is achieved in that casting cores in the casting cavity are placed loosely next to each other.
  • Casting core size and shape different density packing from Given casting cores Due to the loosely lying casting cores, one is depending Casting core size and shape different density packing from Given casting cores. At the contact points of the casting cores poured casting material is displaced. After pouring the core material is chemically removed from the material, for example by leaching. Workpieces penetrating arise Channels that are almost statistically over the area filled with casting cores are distributed, the channel density depending on the casting core size and shape in a predetermined Relation to casting core density.
  • the channels have Openings on both sides of the workpiece, as for the loose casting cores lying on top of each other, at least almost every casting core has a neighbor he touches and he has it turn a neighbor and so on until a related one Casting core touches the other outside of the workpiece.
  • the largest outer dimensions of the casting cores are smaller as the smallest internal dimensions of the casting cavity, it is ensures that at least at every point of the casting cavity two or more casting cores touching one another can be distributed over the cross section of the casting cavity. In this way, very small, branched channel structures, depending on the size, shape and packing density of the Generate casting cores.
  • the casting cores are approximately circular and / or ellipsoidal they are easy to pour and spread out good in the mold without leaving large, free volumes.
  • the casting cores have a large surface area for production from contact points with other, adjacent casting cores on, so that a high channel density in the cast workpiece given is.
  • ellipsoidal casting cores especially elongated channel sections at a high Establish channel density if the points of contact are predominant are due to the greatest dimensions of the ellipsoids.
  • casting cores are approximately the same size, as a result, very even, easily predictable channel structures produce.
  • the diameter of the casting cores is between approximately 0.1 to are approximately 2 mm, in particular with conventional ones Turbine blade wall thicknesses one for optimal film cooling Establish a sufficient number of channels.
  • the casting cores of this kind are therefore neither too small, which may have casting problems would bring itself too big, so that the cooling of the Workpiece is only possible with a high amount of coolant.
  • the casting cores have hollows with the casting material are fillable, is sufficient strength of the Workpiece despite its porous structure.
  • the casting cores show a through the hollows compared to theirs Volume large surface area. This is the share in Casting material in the casting workpiece increased.
  • the cavity is a hole and through a center of the casting core is particularly good strength of the workpiece also locally in the area of each core, since the casting cores are leached out after casting and each at least one central strut formed by the material remains, which ensures sufficient strength.
  • part of the workpiece can be filled with channels and another be solid. This is particularly so can be used with turbine blades by the casting cores only be filled in the area of the mold that the External walls created. Then only one outer wall is open porous, while the rest of the shovel contains the casting material in its has its original shape. The outer wall can then be cooled by means of a consumption-optimized film cooling.
  • the mesh width must be smaller than the diameter on the other hand, the casting cores are large enough to let through be the slag.
  • the size of the channels is still adjustable in that the casting cores introduced into the casting cavity subsequently can be coated with a casting-resistant material that adheres to them are.
  • the cast-resistant material adheres to both on the surface, as well as in particular at the points of contact two casting cores. This creates these points of contact reinforced and get a larger diameter, which in turn affects the channel diameter. Farther can through the material applied additional contact points arise if the casting cores are already very close together have, but have not yet touched. About that the coating also improves the casting cores held together and a floating of the casting cores in the Casting material prevented.
  • the casting material is poured into even the smallest Cavities in the casting mold, especially between the casting cores drawn. The emergence of cast material-free areas avoided. The casting process is also accelerated. By the Insertion of restraint devices, for example nets, prevents casting cores from being together with the casting material pulled towards the evacuation device.
  • the casting cores inserted into the casting cavity are retrofitted with a cast-resistant material that adheres to them are coated, they are kept in the shape without to have to use complex devices.
  • the coating process can target the channels several times repeated so as to stop between the cores improve or establish new connections.
  • the workpiece of channels is interspersed with a space lattice.
  • Such a workpiece can by passing cooling air on the other hand adequately cooled even with a low cooling air flow become. Own in the space lattice arrangement the channels, their diameter depending on the shape and the arrangement of the casting cores vary, mostly varied Branches and several openings.
  • optimal cooling is particularly a channel-penetrated outer wall of a conventional, internally cooled turbine blade guaranteed with film cooling.
  • FIGS. 1a, b, c show a section through part of a schematic Casting mold 10 of a turbine blade.
  • a casting cavity 1 is used to produce an outer wall 14 of an internally cooled Turbine blade as shown in Fig.3.
  • the coolant is thus flowed through from a coolant Interior transported out that the Outside 15 is covered by a coolant film and thus is cooled.
  • To generate such channels 3 is located in the casting cavity 1 a large number of casting cores 2, which in the casting cavity 1 are loosely inserted.
  • the casting cores 2 are for the sake of simplicity of illustration all elliptical in section in the same size without further Formations or hollows shown. Detailed representations the casting cores 2 can be found in FIGS. 2a, b, c.
  • the casting cores 2 are used to prevent floating or bringing in other workpiece areas by means of a device, for example a network 8 held together.
  • the casting cores 2 have approximately the same size and in the exemplary embodiment ellipsoidal, almost spherical shape and are very close together. They can be poured into the mold 10 which makes manufacturing easier. For compression it is possible to attach a shaker that works under effect gravity arranges the casting cores 2 even closer.
  • the Casting cores 2 are preferably made from a conventional casting core ceramic made so that after the casting process can be leached out of the workpiece, provided they connect to the outside 15 of the workpiece. Inside Casting cores 2 which are completely surrounded by casting material, can remain in the casting blank. However, it is extreme unlikely that casting cores 2 any other Touch casting cores 2. Because only one contact point per Casting core 2 is usually sufficient, a connection to any one Place one side of the outer wall up to the other Page to get as schematically by the dashed line indicated in Fig.1a, b. Thus, after leaching widely branched channel systems that lead through of the coolant. The channel width 16 can by subsequent stronger etching can be enlarged.
  • FIG. 1b shows schematically arranged in a casting cavity 1 Casting cores 2 which after filling in the mold 10 with a pour-resistant material, for example a thin liquid Ceramics adhering to the surface 21 of the casting cores 2, encased and pourable by drying and / or heating have been coated.
  • a pour-resistant material for example a thin liquid Ceramics adhering to the surface 21 of the casting cores 2, encased and pourable by drying and / or heating have been coated.
  • a pour-resistant material for example a thin liquid Ceramics adhering to the surface 21 of the casting cores 2, encased and pourable by drying and / or heating have been coated.
  • a pour-resistant material for example a thin liquid Ceramics adhering to the surface 21 of the casting cores 2
  • encased and pourable by drying and / or heating have been coated.
  • Through this subsequent wrapping 22 become contact surfaces of existing connection points 11 between the casting cores 2 enlarged and possibly additional Contact points 18 with the outer sides of the casting
  • 2a, b, c show perspective views of various Casting cores 2.
  • the casting cores 2 have hollows.
  • the cavity runs in the form of a central bore 19 through the center 7 of an almost spherical casting core 2. This hole 19 is made during casting with casting material filled up and when the surrounding casting core 2 after the casting is removed by leaching remains a central one Casting material struts are available for strength in this Area contributes significantly.
  • the casting core volume in favor of the casting material volume decreased.
  • Fig. 2b shows an ellipsoidal, almost disc-like casting core 2 with an almost central bore 19, but at one Side has an additional opening, which creates a side open ring is created. In this way, casting material penetrate more easily into the cavity in the form of the bore 19 and it is an additional stabilizing side strut made from casting material.
  • FIG. 2c shows a spherical casting core 2 with three central ones Bores 19, which meet in the center 7 of the casting core 2. Casting material can thus enter the casting core from the three sides 2 penetrate, which in this way has a very large surface area and has a very small volume and thus the Stability of the workpiece 20 increased.
  • the mold 10 is attached to an evacuation device connected, which is not shown. In this way the casting material through the mold 10 in all narrowest areas of the mold 10 drawn between the casting cores 2.
  • FIG. 3 shows a section through an outer wall penetrated by a channel 14 of a turbine blade.
  • the casting cores 2 are from the Workpiece 20 has been leached and the voids left behind are connected at the contact points 11 of the casting cores 2, whereby through the outer wall 14 between the inside 17 and outside 15 extending channels 3 have arisen.
  • the Channels 3 in Figure 3 are simplified for reasons of clarity shown schematically. In principle, they are narrower and have more branches and openings 6.
  • the canals 3 have different lengths and branches and are, depending on the choice of size and shape of the casting cores 2, on their openings 6 on the outside 15 very closely arranged. This way, film cooling can cover any area of the outside 15 reach the outer wall 14 of the turbine blade and it is sufficient even with a small amount of coolant Cooling of the outer wall 14 ensured.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Um eine Vorrichtung zum Gießen eines Werkstücks, insbesondere einer innengekühlten Turbinenschaufel, mit einem Gießhohlraum (1), in dem Gießkerne (2) vorhanden sind, die werkstückdurchsetzende Kanäle (3) erzeugen, so zu verbessern, daß im Werkstück keine schlecht gekühlten Bereiche vorhanden sind, wird vorgeschlagen, daß die Gießkerne (2) in dem Gießhohlraum (1) lose aneinanderliegend eingebracht sind. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gießen eines Werkstücks, insbesondere einer innengekühlten Turbinenschaufel, mit einem Gießhohlraum, in dem Gießkerne vorhanden sind, die werkstückdurchsetzende Kanäle erzeugen, sowie ein Verfahren zum Gießen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 16 und ein Werkstück mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 18.
Heißgasbeaufschlagte, innengekühlte Turbinenschaufeln werden häufig durch eine sogenannte Filmkühlung gekühlt. Bei einer Filmkühlung strömt Kühlluft durch Bohrungen aus dem Inneren des Schaufelprofils nach Außen. Auf der Außenseite der Außenwand des Schaufelprofils bildet sich ein Luftfilm, der kühlend wirkt. Die Bohrungen werden entweder direkt mitgegossen oder nachträglich gebohrt. Für die gegossenen Bohrungen werden auf die durchgehenden Kanäle abgestimmte zylinderförmige Gießkerne in den beiden, die Innen- und Außenseite der Außenwand bildenden Gießformteilen befestigt. Es entstehen somit Bohrungen mit einem großen Bohrungsdurchmesser, die recht weit auseinanderliegen. Somit finden sich überall schlechter gekühlte Bereiche zwischen den Filmkühlungsbohrungen. Dies wird dadurch ausgeglichen, daß ein größerer Kühlmittelstrom als eigentlich benötigt eingesetzt wird, um auch diese schlechter gekühlten Bereiche ausreichend zu kühlen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Gießen eines Werkstücks ohne schlecht gekühlte Bereiche vorzuschlagen, insbesondere sofern es sich um innengekühlte Turbinenschaufeln handelt, um so eine Möglichkeit einer ausreichenden Filmkühlung bei einem niedrigen Kühlmittelverbrauch zu liefern.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Gießkerne in dem Gießhohlraum lose aneinanderliegend eingebracht sind.
Durch die lose aneinanderliegenden Gießkerne ist eine je nach Gießkerngröße und -form unterschiedliche dichte Packung von Gießkernen gegeben. An den Berührungsstellen der Gießkerne wird eingefülltes Gießmaterial verdrängt. Nach dem Gießen wird das Gießkernmaterial chemisch aus dem Werkstoff entfernt, beispielsweise durch Auslaugen. Es entstehen werkstückdurchsetzende Kanäle, die nahezu statistisch über den mit Gießkernen befüllten Bereich verteilt sind, wobei die Kanaldichte je nach Gießkerngröße und -form in einem vorbestimmten Verhältnis zur Gießkerndichte steht. Die Kanäle haben Öffnungen an beiden Seiten des Werkstücks, da bei den lose aufeinanderliegenden Gießkernen nahezu jeder Gießkern zumindest einen Nachbarn hat, den er berührt, und dieser hat wiederum einen Nachbarn und so weiter, bis ein damit verbundener Gießkern die andere Werkstückaußenseite berührt.
Auf diese Weise können auch hochwarmfeste Gießmaterialien für die Herstellung von filmgekühlten Turbinenschaufeln, aber auch für Deckplatten und Hitzeschilder verarbeitet werden. Durch Wahl einer kleinen Gießkerngröße und einer geeigneten Gießkernform wird eine sehr große Anzahl kleiner Kanalausgangsöffnungen erzielt. Ein das Werkstück durchsetzender Kanal weist in der Regel mehrere, eng beieinanderliegende Öffnungen als Ausgänge auf. Wird bei einem derartigen Werkstück eine Filmkühlung eingesetzt, können alle Bereiche der Oberfläche, die von Öffnungen der Kanäle durchbrochen ist, vom Kühlfilm erreicht werden. Zugleich ist das kanaldurchsetzte Werkstück aufgrund des festen Gießmaterials aber auch durch eine spezielle Auswahl der Gießkerngröße und -form ausreichend fest, wie noch näher erläutert wird. Die Herstellung der Gießvorrichtung ist vereinfacht, weil sich die derart eingefüllten Gießkerne aufeinander abstützen und somit nicht gesondert in den umgebenden Gießformwänden befestigt werden müssen.
Durch die aneinanderliegenden Gießkerne bilden sich nach dem Gießen geeignete Kanäle mit geringem Durchmesser an der Kanalöffnung, wenn mindestens zwei Gießkerne einen werkstückdurchsetzenden Kanal erzeugend aneinanderliegen.
Wenn die größten Außenabmessungen der Gießkerne kleiner sind als die kleinsten Innenabmessungen des Gießhohlraums, ist es gewährleistet, daß an jeder Stelle des Gießhohlraums zumindest zwei oder mehr Gießkerne sich berührend nebeneinander über den Querschnitt des Gießhohlraums verteilt liegen können. Auf diese Weise lassen sich sehr kleine, verzweigte Kanalstrukturen, je nach Größe, Form und Packungsdichte der Gießkerne erzeugen.
Die Einrichtung der vollständigen Gießform ist wesentlich vereinfacht, wenn die Gießkerne in den Gießhohlraum einschüttbar sind. Selbst enge, verwinkelte Bereiche der Gießform können auf diese Weise mit den Gießkernen belegt werden.
Wenn die Gießkerne annähernd kreisförmig und/oder ellipsoidförmig sind, sind sie gut schüttbar und verteilen sie sich gut in der Gießform, ohne große, freie Volumina übrigzulassen. Die Gießkerne weisen eine große Oberfläche zur Herstellung von Berührungsstellen mit anderen, benachbarten Gießkernen auf, so daß im gegossenen Werkstück eine hohe Kanaldichte gegeben ist. Mit ellipsoidförmigen Gießkernen lassen sich insbesondere langgestreckte Kanalabschnitte bei einer hohen Kanaldichte herstellen, wenn die Berührungsstellen vornehmlich an den größten Quermaßen der Ellipsoide liegen.
Wenn die Gießkerne annähernd gleich groß sind, lassen sich hierdurch sehr gleichmäßige, gut vorherbestimmbare Kanalstrukturen erzeugen.
Wenn die Durchmesser der Gießkerne zwischen annähernd 0,1 bis annähernd 2 mm liegen, lassen sich insbesondere bei üblichen Turbinenschaufelwanddicken eine für eine optimale Filmkühlung ausreichende Zahl Kanäle herstellen. Die derartigen Gießkerne sind somit weder zu klein, was eventuell Gießprobleme mit sich bringen würde, noch zu groß, so daß die Kühlung des Werkstücks nur mit einem hohen Kühlmitteleinsatz möglich ist.
Wenn die Gießkerne Aushöhlungen aufweisen, die mit Gießwerkstoff ausfüllbar sind, ist eine ausreichende Festigkeit des Werkstücks trotz seiner porösen Struktur gegeben. Die Gießkerne weisen durch die Aushöhlungen eine im Vergleich zu ihrem Volumen große Oberfläche auf. Dadurch ist der Anteil an Gießmaterial im Gießwerkstück erhöht.
Wenn die Aushöhlung eine Bohrung ist und durch ein Zentrum des Gießkerns verläuft, ist eine besonders gute Festigkeit des Werkstücks auch lokal im Bereich jedes Kerns gegeben, da die Gießkerne nach dem Gießen ausgelaugt werden und jeweils zumindest eine zentrale, durch den Werkstoff gebildete Strebe stehenbleibt, die für eine ausreichende Festigkeit sorgt.
Wenn nur ein vorbestimmter Teil der Werkstückgießfom mit Gießkernen gefüllt ist, kann ein Teil des Werkstücks mit Kanälen und ein anderer massiv ausgebildet sein. Dies ist insbesondere bei Turbinenschaufeln einsetzbar, indem die Gießkerne nur in den Bereich der Gießform gefüllt werden, der die Außenwände erzeugt. Dann ist lediglich eine Außenwand offen porös, während der Rest der Schaufel das Gießmaterial in seiner ursprünglichen Form aufweist. Die Außenwand kann dann mittels einer verbrauchsoptimierten Filmkühlung gekühlt werden.
Wenn die Gießkerne mit einer Schüttelvorrichtung verdichtet werden, können auch bei unregelmäßigen Gießkernen sehr enge Kanalstrukturen erzeugt werden. Ungleichmäßige Befüllungen der Gießform können somit korrigiert werden.
Ein Aufschwimmen der Gießkerne bei dem Gießen kann dadurch verhindert werden, daß die in den Gießhohlraum eingebrachten Gießkerne zusammengehalten sind.
Wenn die Gießkerne von Netzen zusammengehalten sind, wird einerseits ein Aufschwimmen der Gießkerne beim Gießen verhindert und andererseits können zugleich eventuelle Schlacken, die sich auf dem Gießmaterial ansammeln, abgefangen werden. Hierzu muß die Netzweite einerseits kleiner als der Durchmesser der Gießkerne aber andererseits groß genug zum Durchlassen der Schlacken sein.
Die Größe der Kanäle ist weiterhin dadurch einstellbar, daß die in den Gießhohlraum eingebrachten Gießkerne nachträglich mit einem auf ihnen haftenden, gießresistenten Material beschichtbar sind. Das gießresistente Material haftet dabei sowohl auf der Oberfläche, als auch insbesondere an den Berührungsstellen zweier Gießkerne. Hierdurch werden diese Berührungsstellen verstärkt und erhalten einen größeren Durchmesser, was wiederum die Kanaldurchmesser beeinflußt. Weiterhin können durch das aufgebrachte Material zusätzliche Kontaktstellen entstehen, wenn vorher Gießkerne schon sehr nah aneinandergelegen haben, sich jedoch noch nicht berührten. Darüber hinaus werden die Gießkerne durch die Umhüllung besser zusammengehalten und ein Aufschwimmen der Gießkerne in dem Gießmaterial verhindert.
Wenn die Gießform an eine Evakuierungsvorrichtung angeschlossen ist, wird das Gießmaterial beim Gießen auch in kleinste Hohlräume der Gießform, insbesondere zwischen die Gießkerne gezogen. Die Entstehung von gießmaterialfreien Breichen wird vermieden. Zudem wird der Gießvorgang beschleunigt. Durch das Einsetzen von Rückhaltevorrichtungen, beispielsweise Netzen, wird verhindert, daß Gießkerne mit dem Gießmaterial zusammen in Richtung der Evakuierungsvorrichtung gezogen werden.
Um ein Gießverfahren im Sinne der oben gestellten Aufgabe zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß Gießkerne in den Gießhohlraum lose aneinanderliegend eingebracht werden. In diesem Verfahren werden in einfacher Weise durchgehende Kanäle erzeugt, deren Abmessungen leicht durch geeignete Wahl der Gießkernabmessungen verändert werden können und zu deren Herstellung es keiner aufwendigen Vorbereitungen der Gießform bedarf.
Wenn die in den Gießhohlraum eingebrachten Gießkerne nachträglich mit einem auf ihnen haftenden, gießresistenten Material beschichtet werden, werden sie in der Form gehalten, ohne aufwendige Vorrichtungen einsetzen zu müssen. Je nach Zielgröße der Kanäle kann das Beschichtungsverfahren mehrfach wiederholt werden, um so den Halt zwischen den Kernen zu verbessern oder neue Verbindungen aufzubauen.
Um ein Werkstück im Sinne der oben gestellten Aufgabe zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß das Werkstück von Kanälen raumgitterförmig durchsetzt ist. Ein derartiges Werkstück kann durch Hindurchführen von Kühlluft auf der anderen Seite bereits bei einer geringen Kühlluftströmung ausreichend gekühlt werden. In der raumgitterförmigen Anordnung besitzen die Kanäle, deren Durchmesser in Abhängigkeit von der Form und Anordnung der Gießkerne variieren, zumeist vielfältige Abzweigungen und mehrere Öffnungen.
Sehr gute Werkstückeigenschaften sind erreicht, wenn praktisch ein Viertel der Gesamtfläche einer Werkstückseite auf die Fläche gleichmäßig verteilter Kanalöffnungen entfällt. Einerseits gibt es praktisch keine Stelle auf einer kanaldurchsetzten Werkstückseite mehr, die schlechter gekühlt ist, denn bei der Filmkühlung entsteht hinter der Kanalöffnung ein gut gekühlter Bereich, der das Dreifache der Breite der Kanalöffnung beträgt. Alle Bereiche der kanaldurchsetzten Werkstückseite sind somit bei Vorhandensein von einem Viertel Kanalöffnungsfläche gleichmäßig gekühlt. Zugleich besitzt das Werkstück auch im kanaldurchsetzten Bereich eine ausreichende Festigkeit.
Wenn die Kanalöffnungen Durchmesser zwischen annähernd 0,1 und annähernd 2 mm aufweisen, ist eine optimale Kühlung insbesondere einer kanaldurchsetzten Außenwand einer üblichen, innengekühlten Turbinenschaufel bei Filmkühlung gewährleistet.
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben. Es zeigen:
  • Fig.1a, b Schnitte durch Teile einer schematischen Gießform einer Turbinenschaufel,
  • Fig.2a, b, c perspektivische Ansichten verschiedener Gießkerne und
  • Fig.3 einen Schnitt durch einen Teil einer kanaldurchsetzten Außenwand einer Turbinenschaufel.
    • Fig.1a zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer schematischen Gießform 10 einer Turbinenschaufel. Ein Gießhohlraum 1 dient zur Herstellung einer Außenwand 14 einer innengekühlten Turbinenschaufel, wie in Fig.3 dargestellt. Durch die Außenwand 14 wird das Kühlmittel so aus einem kühlmitteldurchströmten Innenraum nach Außen hinaustransportiert, daß die Außenseite 15 von einem Kühlmittelfilm bedeckt ist und somit gekühlt wird. Zur Erzeugung derartiger Kanäle 3 befindet sich in dem Gießhohlraum 1 eine große Anzahl Gießkerne 2, die in dem Gießhohlraum 1 lose aneinanderliegend eingebracht sind. Die Gießkerne 2 sind aus Gründen der einfacheren Darstellung alle im Schnitt elliptisch in derselben Größe ohne weitere Anformungen oder Aushöhlungen dargestellt. Detailierte Darstellungen der Gießkerne 2 finden sich in den Fig. 2a, b, c.
    Dadurch, daß die Gießkerne 2 sich größtenteils einander berühren, entstehen nach dem Gießen und dem anschließenden chemischen Entfernen der Gießkerne 2 werkstückdurchsetzende Kanäle 3, wie in Fig.3 schematisch dargestellt. Die Gießkerne 2 werden zur Verhinderung von Aufschwimmen oder Einbringen in andere Werkstückbereiche mittels einer Vorrichtung, beispielsweise eines Netzes 8 zusammengehalten. Die Gießkerne 2 haben in dem Ausführungsbeispiel annähernd dieselbe Größe und ellipsoide, fast kugelförmige Form und liegen sehr eng beieinander. Sie können in die Gießform 10 eingeschüttet werden, was die Herstellung erleichtert. Zur Verdichtung ist es möglich, eine Schüttelvorrichtung anzubringen, die unter Wirkung der Schwerkraft die Gießkerne 2 noch enger anordnet. Die Gießkerne 2 sind dabei vorzugsweise aus einer üblichen Gießkernkeramik hergestellt, so daß sie nach dem Gießvorgang aus dem Werkstück ausgelaugt werden können, sofern sie Verbindung zur Außenseite 15 des Werkstücks aufweisen. Innenliegende Gießkerne 2, die vollständig von Gießmaterial umgeben sind, können in dem Gießrohling verbleiben. Allerdings ist es äußerst unwahrscheinlich, daß Gießkerne 2 keinerlei andere Gießkerne 2 berühren. Denn allein eine Berührungsstelle pro Gießkern 2 reicht zumeist aus, eine Verbindung an einer beliebigen Stelle einer Seite der Außenwand bis zu der anderen Seite zu erhalten, wie schematisch durch die gestrichelte Linie in Fig.1a, b angedeutet. Somit werden nach dem Auslaugen weit verzweigte Kanalsysteme erzeugt, die ein Hindurchführen des Kühlmittels ermöglicht. Die Kanalbreite 16 kann durch nachträgliches stärkeres Herausätzen noch vergrößert werden.
    Fig.1b zeigt schematisch in einem Gießhohlraum 1 angeordnete Gießkerne 2 die nach dem Einfüllen in die Gießform 10 mit einem gießresistenten Material, beispielsweise einer dünnflüssige Keramik, die auf der Oberfläche 21 der Gießkerne 2 haftet, umhüllt und durch Trocknen und/oder Erhitzen gießstabil beschichtet worden sind. Durch diese nachträgliche Umhüllung 22 werden Kontaktflächen bestehender Verbindungsstellen 11 zwischen den Gießkernen 2 vergrößert und eventuell zusätzliche Kontaktstellen 18 mit den Außenseiten des Gießhohlraums 1 oder einem anderen Gießkern 2 geschaffen. Somit wird die Anzahl der hieraus entstehenden Kanäle 3 vergrößert. Da die anhaftende Umhüllung 22 in den Bereichen der Verbindungsstellen 11 aufgrund der Oberflächenspannung eher dicker als in anderen Bereichen ausgebildet ist, wird die Kanalbreite 16 vergleichmäßigt. Das Keramikmaterial, das zur Umhüllung dient, wird nachträglich zusammen mit den Gießkernen 2 aus dem Gießwerkstück 20 ausgelaugt.
    Fig.2a, b, c zeigen perspektivische Ansichten verschiedener Gießkerne 2. Die Gießkerne 2 weisen Aushöhlungen auf. In Fig.2a verläuft die Aushöhlung in Form einer zentralen Bohrung 19 durch das Zentrum 7 eines nahezu kugelförmigen Gießkerns 2. Diese Bohrung 19 wird während des Gießens mit Gießmaterial aufgefüllt und wenn der umgebende Gießkern 2 nach dem Gießen durch Auslaugen entfernt wird, bleibt eine zentrale Gießmaterialstrebe stehen, die zur Festigkeit in diesem Bereich wesentlich beiträgt. Zugleich wird durch die Einführung der Aushöhlung das Gießkernvolumen zu Gunsten des Gießmaterialvolumens verringert.
    Fig.2b zeigt einen ellipsoiden, fast scheibenartigen Gießkern 2 mit einer nahezu zentralen Bohrung 19, die jedoch an einer Seite eine zusätzliche Öffnung aufweist, wodurch ein seitlich offener Ring entsteht. Auf diese Weise kann Gießmaterial leichter in die Aushöhlung in Form der Bohrung 19 eindringen und es ist eine zusätzlich stabilisierende seitliche Strebe aus Gießmaterial entstanden.
    Fig.2c zeigt einen kugelförmigen Gießkern 2 mit drei zentralen Bohrungen 19, die sich im Zentrum 7 des Gießkerns 2 treffen. Von den drei Seiten kann somit Gießmaterial in den Gießkern 2 eindringen, der auf diese Weise eine sehr große Oberfläche und eine sehr geringes Volumen aufweist und somit die Stabilität des Werkstücks 20 erhöht.
    Um zu erreichen, daß die gesamten Oberflächen der Gießkerne 2 und alle Bereiche der Gießform 10 mit Gießmaterial aufgefüllt werden, ist die Gießform 10 an eine Evakuierungsvorrichtung angeschlossen, die nicht dargestellt ist. Auf diese Weise wird das Gießmaterial durch die Gießform 10 hindurch in alle engsten Bereiche der Gießform 10 zwischen die Gießkerne 2 gezogen.
    Fig.3 zeigt einen Schnitt durch eine kanaldurchsetzte Außenwand 14 einer Turbinenschaufel. Die Gießkerne 2 sind aus dem Werkstück 20 ausgelaugt worden und die hinterlassenen Hohlräume sind an den Berührungsstellen 11 der Gießkerne 2 verbunden, wodurch durch die Außenwand 14 zwischen Innenseite 17 und Außenseite 15 verlaufende Kanäle 3 entstanden sind. Die Kanäle 3 in Fig.3 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit vereinfachend schematisch dargestellt. Prinzipiell sind sie enger und weisen mehr Abzweigungen und Öffnungen 6 auf. Die Kanäle 3 weisen unterschiedliche Längen und Abzweigungen auf und sind, je nach Wahl der Größe und Form der Gießkerne 2, an ihren Öffnungen 6 an der Außenseite 15 sehr dicht angeordnet. Auf diese Weise kann die Filmkühlung jeden Bereich der Außenseite 15 der Außenwand 14 der Turbinenschaufel erreichen und es ist auch bei einem geringen Kühlmitteleinsatz eine ausreichende Kühlung der Außenwand 14 gewährleistet.

    Claims (20)

    1. Vorrichtung zum Gießen eines Werkstücks, insbesondere einer innengekühlten Turbinenschaufel, mit einem Gießhohlraum (1), in dem Gießkerne (2) vorhanden sind, die werkstückdurchsetzende Kanäle (3) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) in dem Gießhohlraum (1) lose aneinanderliegend eingebracht sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gießkerne (2) einen werkstückdurchsetzenden Kanal (3) erzeugend aneinanderliegen.
    3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die größten Außenabmessungen der Gießkerne (2) kleiner als die kleinsten Innenabmessungen des Gießhohlraums (1) sind.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) in den Gießhohlraum (1) einschüttbar sind.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) annähernd kugelförmig und/oder ellipsoidförmig sind.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) annähernd gleich groß sind.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Durchmesser (5)der Gießkerne (2) zwischen annähernd 0,1 bis annähernd 2 mm liegen.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) Aushöhlungen aufweisen, die mit Gießwerkstoff ausfüllbar sind.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushöhlung eine Bohrung (19) ist, die durch ein Zentrum (7) des Gießkerns (2) verläuft.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein vorbestimmter Teil der Werkstückgießfom (10) mit Gießkernen (2) gefüllt ist.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) mit einer Schüttelvorrichtung verdichtet werden.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Gießhohlraum (1) eingebrachten Gießkerne (2) zusammengehalten sind.
    13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) von Netzen (8) zusammengehalten sind.
    14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Gießhohlraum (1) eingebrachten Gießkerne (2) nachträglich mit einem auf ihnen haftenden, gießresistenten Material (9) beschichtbar sind.
    15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gießform (10) an eine Evakuierungsvorrichtung angeschlossen ist.
    16. Verfahren zum Gießen eines Werkstücks, insbesondere einer innengekühlten Turbinenschaufel, bei dem Gießkerne (2) in einen Gießhohlraum (1) eingesetzt werden, die werkstückdurchsetzende Kanäle (3) erzeugen, insbesondere mit den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießkerne (2) in den Gießhohlraum (1) lose aneinanderliegend eingebracht werden.
    17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Gießhohlraum (1) eingebrachten Gießkerne (2) nachträglich mit einem auf ihnen haftenden, gießresistenten Material beschichtet werden.
    18. Werkstück mit werkstückdurchsetzenden Kanälen, insbesondere innengekühlte Turbinenschaufel, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17 mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (20) von den Kanälen (3) raumgitterförmig durchsetzt ist.
    19. Werkstück nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß praktisch ein Viertel der Gesamtfläche einer Werkstückseite auf die Fläche gleichmäßig verteilter Kanalöffnungen (6) entfällt.
    20. Werkstück nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalöffnungen (6) Durchmesser (9) zwischen annähernd 0,1 und annähernd 2 mm aufweisen.
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