EP2421666A1 - Giessvorrichtung zum herstellen einer turbinenlaufschaufel einer gasturbine und turbinenlaufschaufel - Google Patents

Giessvorrichtung zum herstellen einer turbinenlaufschaufel einer gasturbine und turbinenlaufschaufel

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Publication number
EP2421666A1
EP2421666A1 EP10713950A EP10713950A EP2421666A1 EP 2421666 A1 EP2421666 A1 EP 2421666A1 EP 10713950 A EP10713950 A EP 10713950A EP 10713950 A EP10713950 A EP 10713950A EP 2421666 A1 EP2421666 A1 EP 2421666A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
casting
blade
turbine blade
turbine
cores
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10713950A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Uwe Paul
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
Original Assignee
Siemens AG
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 filed Critical Siemens AG
Priority to EP10713950A priority Critical patent/EP2421666A1/de
Publication of EP2421666A1 publication Critical patent/EP2421666A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/08—Features with respect to supply of molten metal, e.g. ingates, circular gates, skim gates
    • B22C9/082—Sprues, pouring cups
    • 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
    • B22C9/108—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
    • B22D23/00—Casting processes not provided for in groups B22D1/00 - B22D21/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting

Definitions

  • the invention relates to a casting apparatus for producing a turbine blade of a gas turbine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a turbine blade according to the preamble of claim 6.
  • Casting devices also called casting devices, for producing a turbine blade of a gas turbine are known from the prior art for the longest time.
  • a casting apparatus comprises a plurality of grape-like shell molds for the simultaneous casting off of a plurality of turbine blades. Each mold shell is hollow, wherein the cavity is the negative mold of the produced
  • turbine blades Since turbine blades, in particular the blades of front turbine stages, usually have to be cooled, these are also hollow.
  • a cooling medium usually cooling air
  • the supply of cooling air takes place via arranged in the blade root openings, which are in flow communication with the cavity or the cavities of the rotor blade.
  • the mold shell for producing such a turbine blade generally comprises one or more casting cores, which are arranged in the cavity of the casting apparatus. The casting cores, after their removal in the cast turbine blade, leave the cavities through which the coolant flows during operation of the gas turbine.
  • the casting device has at least one inlet channel, usually called a feeder, through which the casting material can be fed into the cavity of the shell mold during casting of the rotor blade. Consequently, the inlet channel opens with its inlet opening in that surface which limits the cavity of the mold shell.
  • a feeder usually called a feeder
  • the object of the invention is therefore to provide a
  • the object directed to the casting device is achieved with a casting device designed according to the features of patent claim 1.
  • the task relating to the turbine blade is achieved with a turbine blade formed according to claim 5.
  • the invention is based on the finding that the formation of cracks during the solidification of the melt in the walls of the cooling channels in the blade-root-side region of the turbine blade is production-related.
  • turbine blades are cast in a standing position by default, with the cavity in the mold shell being formed such that the negative mold of the blade of the turbine blade is formed at the bottom and above that the platform and the blade root.
  • top and bottom refer to the
  • the invention proposes that the feed of hot liquid casting material into the cavity of the mold shell when casting the turbine blade now has to be done so that it does not occur directly on casting cores. According to the casting material is now freely and undisturbed flow into the cavity and on the shell mold bottom, which forms the blade tip impinge.
  • the cast cores are rod-shaped at least in the section of the blade root, their off-center placement in the shell results in the openings of cooling channels in the blade root of the turbine blade also being arranged off-center, relative to the generally symmetrical outer contour of the blade root.
  • the symmetry is here on the in the Cross-section fir-tree-shaped or hammer-shaped contour of the blade base related.
  • the surface of the shell mold has a contour for the blade root of the turbine blade, which is mirror-inverted along a blade root center.
  • the contour is fir tree-shaped or hammer-shaped.
  • the inlet channel is centered and one of the casting cores is arranged eccentrically, at least in the region of the inlet opening, both with reference to a blade root center, which by definition is located centrally between the lateral corrugated surfaces or contours of the blade root. Due to the eccentric arrangement of the casting cores and the blade root to be held compactly, it is necessary that the cross-sectional area of the previous casting core is divided into two casting cores. By dividing the previous, centrally placed cooling channels in each case two parallel eccentrically positioned cooling channels, the required for the cooling air cross-sectional area can be further maintained, however, the former
  • Turbine blade are specified in the subclaims.
  • the inlet channel opens into that part of the surface of the cavity of the mold shell, which forms the negative of the end face of the blade root of the turbine blade.
  • This makes it possible to form a sufficiently large inlet channel.
  • a falling cast of turbine blades with the blade root on top allows the casting of turbine blades whose largest volume, vane root, finally solidifies. Possibly. Shrinkage of the casting material occurring during solidification can be compensated by the inflow of molten casting material from the casting area. In addition, so that a compact casting device can be specified.
  • the cores furthest away from the inlet opening may also be in the imaginary extension of the inlet channel in the event that the casting material flowing into the cavity does not reach them.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a casting apparatus with therein according to the invention arranged casting cores
  • FIG. 2 shows a perspective view of a turbine blade according to the invention for a gas turbine.
  • the casting apparatus 10 comprises at least one mold shell 12 with a cavity 14.
  • the cavity 14 is bounded by a surface 16, which is the negative mold of the turbine blade to be produced.
  • a total of six casting cores 18 are arranged in the cavity 14 .
  • the casting cores 18 are always arranged in pairs. In total there are three pairs of cores.
  • an inlet channel 20 is provided in the mold shell 12 for the filling of the liquid casting material. Its inlet opening 22 opens in the surface 16, which limits the cavity 14.
  • the cavity 14 is formed in the mold shell 12 such that the negative mold of the airfoil tip of the turbine blade is located at the bottom.
  • the overlying portion of the surface forms the negative of the airfoil blade.
  • the part of the surface is contoured so that the negative mold of the platform of the turbine blade is formed. Subsequently, and thus arranged at the top opposite the horizontal plane, the remaining part of the surface 16 forms the contour of the blade root.
  • the inlet channel 20 opens with its inlet opening 22 in that part of the surface which an end face of the Pretail pretends.
  • the inlet channel 20 has a straight longitudinal extension immediately upstream of the inlet opening 22 in the illustrated casting device.
  • the longitudinal extent of the inlet channel 20 extends approximately parallel or slightly inclined relative to the horizontal plane.
  • the casting cores 18 are not completely shown in FIG. In FIG. 1, only those sections of the casting cores 18 are shown which are arranged in the uppermost part of the cavity 14, which predetermines the negative shape of the blade root.
  • the shape, contour and type of the casting cores 18 in the platform-side region or in the blade-side region is not of further interest to the invention and can therefore be arbitrarily, for example meander-shaped, rectilinear or even slightly curved.
  • the respective cooling channels can also be partially recombined.
  • Each casting pair of cores 18 are spaced from one another.
  • the existing between them distance A is so large that hot, liquid cast material does not hit directly on the casting cores 18 when filling the cavity 14.
  • the hot casting material fed into the cavity 14 flows between two immediately adjacent casting cores 18. So it should be the contact between inflowing liquid casting material and Gusskernober Design in the foot as possible avoided.
  • casting core areas are avoided with locally elevated temperature.
  • the locally increased core temperature was the cause of prior art cracking phenomena on the walls of cooling passages of turbine blades.
  • the imaginary extension of the longitudinal extent of the inlet channel 20 thus extends into the free area between the two casting cores 18 of a casting core pair.
  • the imaginary extension of the inlet channel is completely free of casting cores 18.
  • Inlet channel 20 are positioned. However, this presupposes that the range of the inflowing hot casting material is not so far that the inflow jet can hit them.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a turbine blade 30, which was produced by the casting device according to FIG.
  • the turbine blade 30 has a blade root 32 contoured in the manner of a fir tree in longitudinal section, on which a platform 34 is arranged.
  • the platform 34 is adjoined by an aerodynamically curved airfoil 36 which terminates at a freestanding airfoil tip 38.
  • the turbine blade 30 thus extends along a longitudinal axis 40 from the blade root 32 to
  • the longitudinal axis 40 is arranged such that it extends centrally or symmetrically to the contour of the fir-tree-shaped blade root 32.
  • the blade root 32 has on its side facing away from the blade 36, transversely to the longitudinal axis 40 extending surface, also called bottom 42, a plurality of openings 44, which remain when the casting cores 18 have been removed from the cast turbine blade 30.
  • the openings 44 are arranged on both sides of the blade root center, which is defined in cross section by the longitudinal axis 40 and also lies centrally between the lateral, corrugated surfaces of the blade root. They lie in two rows, each with three openings 44.
  • the openings 44 are used for introduction a coolant into the interior of the turbine blade 30. Each opening 44 forms an end of a cooling channel of the turbine blade 30 from. Its course in the interior of the turbine blade 30 is of no importance to the invention.
  • the invention prevents uneven local overheating of the casting cores 18 in the vicinity of the inlet during filling of the cavity 14. At the same time, a better filling can take place since casting cores 18 no longer block the inlet opening 22. A collision of inflowing hot casting material with casting cores 18 is prevented by the use of the invention. In addition, the solidification can be further improved by the unobstructed flow of hot cast material (food) from the feeds, which reduces remaining residual stress or residual stress and avoids the formation of cracks.
  • the invention relates to a casting apparatus 10 for producing a turbine blade 30 of a gas turbine, in which the mold shell 12, its inlet and the casting cores 18 disposed therein are aligned with each other such that a casting material flowing into the cavity 14 of the shell mold 12 does not impinge on casting cores 18 directly. This will become so-called hotter areas

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung (10) zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel (30) einer Gasturbine und eine damit hergestellte Turbinenlaufschaufel (30). Die Gießvorrichtung umfasst zumindest eine hohle Formschale (12), deren Zulauf und darin angeordnete Gusskerne (18) so zueinander ausgerichtet sind, dass ein in einen Hohlraum (14; der Formschale (12) einströmender heißer Gusswerkstoff nicht auf die Gusskerne (18) unmittelbar auftrifft. Damit werden sog. heißere Bereiche (Hot Spots) an Gusskernen (18) vermieden, die sich bisher nachteilig auf die Erstarrung des Gusswerkstoffs ausgewirkt haben. Insbesondere im Bereich des Schaufelfußes (32) der herzustellenden Turbinenlaufschaufel (30) kann somit eine verbesserte Erstarrung des Gusswerkstoffs erreicht werden, was Störung im Gefüge des erstarrten Gusswerkstoffs reduziert. Aufgrund der Verringerung bzw. der Vermeidung der Störungen wird Rissentstehung und Risswachstum im Bereich der schaufelfußseitigen Kühlkanalabschnitte vermieden, was die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel (30) erhöht.

Description

Beschreibung
Gießvorrichtung zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine und Turbinenlaufschaufel
Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbinenlaufschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Gießvorrichtungen, auch Gussvorrichtungen genannt, zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine sind aus dem Stand der Technik längstens bekannt. Wie beispielsweise aus der US 5,465,780 bekannt, umfasst eine Gießvorrichtung mehrere traubenartig angeordnete Formschalen zum gleichzeitigen Abgießen mehrerer Turbinenlaufschaufeln. Jede Formschale ist dabei hohl ausgebildet, wobei der Hohlraum die Negativform der herzustellenden
Turbinenlaufschaufel darstellt. Da Turbinenlaufschaufeln, insbesondere die Laufschaufeln vorderer Turbinenstufen, in der Regel gekühlt werden müssen, sind diese ebenfalls hohl ausgebildet. Durch die Hohlräume der Turbinenlaufschaufel kann im Betrieb ein Kühlmedium, zumeist Kühlluft, durchgeführt werden, damit die Turbinenlaufschaufeln eine besonders lange Lebensdauer aufweisen und nicht aufgrund der an ihr vorbeiströmenden Heißgasströmung vorzeitig einem thermisch bedingten Schaden erleiden. Die Zuführung von Kühlluft erfolgt dabei über im Schaufelfuß angeordnete Öffnungen, die mit dem Hohlraum oder den Hohlräumen der Laufschaufei in Strömungsverbindung stehen. Die Formschale zum Herstellen einer derartigen Turbinenlaufschaufel umfasst deswegen zumeist einen oder mehrere Gusskerne, die im Hohlraum der Gießvorrichtung angeordnet sind. Die Gusskerne hinterlassen nach ihrer Entfernung in der gegossenen Turbinenlaufschaufel die Hohlräume, durch welche das Kühlmittel beim Betrieb der Gasturbine strömt. Weiter ist bekannt, dass die Gießvorrichtung zumindest einen Zulaufkanal, zumeist Speiser genannt, aufweist, durch den der Gusswerkstoffs in den Hohlraum der Formschale beim Gießen der Laufschaufei eingespeist werden kann. Folglich mündet der Zulaufkanal mit seiner ZulaufÖffnung in derjenigen Oberfläche, die den Hohlraum der Formschale begrenzt.
Es hat sich bei Turbinenlaufschaufeln herausgestellt, dass die Wände der im Schaufelfuß angeordneten Abschnitte der Kühlkanäle im Betrieb zu Rissentstehung und Risswachstum neigen. Diese Risse können die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel beeinträchtigen und ggf. verkürzen.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer
Turbinenlaufschaufel mit einer erhöhten Lebensdauer und die Bereitstellung einer Gießvorrichtung zum Herstellen einer solchen Turbinenlaufschaufel.
Die auf die Gießvorrichtung gerichtete Aufgabe wird mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausbildeten Gießvorrichtung gelöst. Die die Turbinenlaufschaufel betreffende Aufgabe wird mit einer nach Anspruch 5 ausgebildeten Turbinenlaufschaufel gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Rissentstehung während der Erstarrung der Schmelze in den Wänden der Kühlkanäle im schaufelfußseitigen Bereich der Turbinenlaufschaufel herstellungsbedingt ist. Beim Stand der Technik werden Turbinenlaufschaufeln standardmäßig stehend gegossen, wobei der Hohlraum in der Formschale derartig ausgebildet ist, dass unten die Negativform des Schaufelblatts der Turbinenlaufschaufel geformt ist und darüber die Plattform und der Schaufelfuß. Die Begriffe "oben" und "unten" beziehen sich dabei auf die
Horizontalebene. Der Zulauf für den schmelzflüssigen Gusswerkstoff befindet sich üblicher Weise ebenfalls oben, da es sich als vorteilhaft herausgestellt hat, dass Turbinenlaufschaufeln im fallenden Guss gefertigt werden, bei denen der Ort der letzten Erstarrung des Gusswerkstoffs oben und somit am massereicheren Schaufelfuß ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Gießvorrichtungen verläuft der Zulaufkanal quer zur Längsachse der Turbinenlaufschaufel und somit annähernd parallel zur Horizontalebene, um eine in der Höhe niedrige Gießvorrichtung anzugeben. Durch diese Quereinspeisung des schmelzflüssigen Gusswerkstoffs strömt dieser nach dem Austritt aus der ZulaufÖffnung in den Hohlraum der Formschale hinein und fällt anschließend auf den Grund der Formschale, wo das Negativ der Schaufelblattspitze geformt ist. Durch das fortgeführte Zuführen von schmelzflüssigem Gusswerkstoff füllen sich die Hohlräume für das Schaufelblatt, die Plattform und den Schaufelfuß der Turbinenlaufschaufel vollständig mit flüssigem, heißen
Gusswerkstoff auf. Da der Schaufelfuß zumeist hammerförmig oder tannenbaumförmig symmetrisch ausgebildet ist, und die Kühlkanäle zumeist mittig im Schaufelfuß positioniert sind, traten bei den herkömmlichen Gießvorrichtungen stets Situationen auf, bei denen der in den Hohlraum der Formschale einfließende flüssige Gusswerkstoff quer auf die vor der ZulaufÖffnung positionierten Gusskerne auftraf. Im Detail traf der schmelzflüssige Gusswerkstoff den Fußbereich des mittig stehenden Gusskerns. Dies führte dazu, dass sich die Gusskerne im Auftreffpunkt des heißen Gusswerkstoffs mehr erwärmten als in anderen Bereichen. Diese heißeren Gusskernbereiche werden auch als Hot Spots bezeichnet. Die anderen Bereiche der Gusskerne wurden dagegen nicht so extrem aufgeheizt. Während der Abkühlung des Gusswerkstoffs und der dabei eintretenden Erstarrung trat in denjenigen Bereichen des Gusswerkstoffs, welche an den lokal heißeren Bereichen der Gusskerne angrenzten, eine verzögerte Erstarrung des Gusswerkstoffs auf, verglichen mit kühleren Bereichen der Gusskerne. Durch die verzögerte Erstarrung des Gusswerkstoffs in den entsprechenden Bereichen traten Störungen im Gefüge des erstarrten Materials auf, welche die Rissentstehung und das Risswachstum im Betrieb begünstigten. Aufgrund dieser Erkenntnis schlägt nun die Erfindung vor, dass der Zulauf von heißem flüssigem Gusswerkstoff in den Hohlraum der Formschale beim Gießen der Turbinenlaufschaufel nun so zu erfolgen hat, dass dieser nicht auf Gusskerne unmittelbar auftritt. Erfindungsgemäß soll nun der Gusswerkstoff frei und ungestört in den Hohlraum einströmen und auf den Formschalenboden, welcher die Schaufelspitze formt, auftreffen. Da zumeist der Zulauf stirnseitig mittig im Bereich des Schaufelfußes angeordnet ist, ist es dafür erforderlich, dass die Gusskerne außermittig, bezogen auf die Längsachse des Schaufelfußes angeordnet sind. Dies führt zu einer Gießvorrichtung, bei der derjenige Teil des Hohlraums, in welchem eine gedachte Verlängerung des Zulaufkanals hineinragt, zumindest zulauföffnungsseitig frei von Gusskernen ist.
Mit einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung wird somit vermieden, dass beim Einfüllen des einfließenden heißen Gusswerkstoffs in den Hohlraum der Formschale dieser quer auf Gusskerne auftritt und dadurch heiße Gusskernbereiche, sogenannte Hot Spots, entstehen. Durch das Vermeiden heißerer Gusskernbereiche tritt auch eine lokal verzögerte Erstarrung des Gusswerkstoffs beim Abkühlen nicht mehr auf. Die Erstarrung des Gusswerkstoffs wird also insgesamt vergleichmäßigt, so dass Störstellen im Gefüge des Turbinenlaufschaufelmaterials vermieden werden können. Durch die Vermeidung der Störstellen wird Rissentstehung und
Risswachstum im Material von Turbinenlaufschaufeln, welches die schaufelfußseitigen Abschnitte von Kühlkanälen umgibt, beim Betrieb wirksam vermieden. Dies reduziert den Ausschuss und verlängert die Lebensdauer von Turbinenlaufschaufeln.
Da in der Regel die Gusskerne zumindest im Abschnitt des Schaufelfußes stabförmig ausgebildet sind, führt deren außermittige Platzierung in der Formschale dazu, dass die Öffnungen von Kühlkanälen im Schaufelfuß der Turbinenlaufschaufel ebenfalls außermittig angeordnet sind, bezogen auf die in der Regel symmetrische Außenkontur des Schaufelfußes. Die Symmetrie wird hierbei auf die im Querschnitt tannenbaumförmige oder hammerförmige Kontur des Schaufelfußes bezogen.
Die Oberfläche der Formschale weist für den Schaufelfuß der Turbinenlaufschaufel eine Kontur auf, welche entlang einer Schaufelfußmitte spiegelbildlich ist. Die Kontur ist dabei Tannenbaumförmig oder hammerförmig. Dabei sind weiter der Zulaufkanal mittig und einer der Gusskerne zumindest im Bereich der ZulaufÖffnung außermittig - beides bezogen auf eine Schaufelfußmitte, welche definitionsgemäß mittig zwischen den seitlichen gewellten Oberflächen bzw. Konturen des Schaufelfußes liegt - angeordnet. Aufgrund der außermittigen Anordnung der Gusskerne und des kompakt zu haltenden Schaufelfußes ist es erforderlich, dass die Querschnittsfläche des bisherigen Gusskerns auf zwei Gusskerne aufgeteilt wird. Durch die Aufteilung der bisherigen, mittig platzierten Kühlkanäle in jeweils zwei parallel außermittig positionierte Kühlkanäle kann die für die Kühlluft erforderliche Querschnittsfläche weiter aufrecht erhalten werden, wobei sich jedoch die bisherige
Querschnittsfläche dann auf die jeweils beiden Kühlkanäle verteilt, die dann je eine Hälfte der bisherigen Querschnittsfläche aufweisen. Folglich wird ein aus dem Stand der Technik vorhandener Kühlkanaleingang auf zwei Kühlkanaleingänge bei einer erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel aufgeteilt.
Dies hat zur Folge, dass bei einer Turbinenlaufschaufel zwei Öffnungen an der Unterseite, jedoch beidseitig der Schaufelfußmitte angeordnet sind, wobei die Öffnungen
Zuführöffnungen von Kühlmittel für die Turbinenlaufschaufel darstellen. Jede Öffnung bildet somit ein Ende eines Kühlkanals der Turbinenlaufschaufel aus.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gießvorrichtung und der
Turbinenlaufschaufel sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorzugsweise mündet der Zulaufkanal in denjenigen Teil der Oberfläche des Hohlraums der Formschale, welche das Negativ der Stirnseite des Schaufelfußes der Turbinenlaufschaufel formt. Hierdurch lässt sich ein ausreichend großer Zulaufkanal ausbilden. Gleichzeitig ermöglicht ein fallender Guss von Turbinenlaufschaufeln mit oben angeordnetem Schaufelfuß das Abgießen von Turbinenlaufschaufeln, deren größtvolumiger Bereich, nämlich der Schaufelfuß, zuletzt erstarrt. Ggf. bei der Erstarrung auftretende Schrumpfung des Gusswerkstoffs kann durch das Nachströmen von schmelzflüssigem Gusswerkstoff aus dem Eingussbereich kompensiert werden. Außerdem kann damit eine kompakte Gießvorrichtung angegeben werden.
Vorzugsweise ist bei einer Gießvorrichtung derjenige Teil des Hohlraums, in welchem eine gedachte Verlängerung des Zulaufkanals hineinragt, vollständig frei von Gusskernen. Somit ist nicht nur zulauföffnungsseitig der Hohlraum der Formschale frei von Gusskernen, sondern auch derjenige Bereich, des Hohlraums frei von Gusskernen, welcher der ZulaufÖffnung gegenüberliegt.
Je nach Ausgestaltung der Turbinenlaufschaufel der Gießvorrichtung und der bei dem Gießen der Turbinenlaufschaufel eingestellten Prozessparameter ist es ausreichend, dass nicht alle Gusskerne außermittig angeordnet sind, sondern nur diejenigen, die besonders nahe an der ZulaufÖffnung angeordnet sind. Mit anderen Worten: die am weitesten von der ZulaufÖffnung entfernten Gusskerne, deren Abschnitt im LaufSchaufelbereich der Turbinenlaufschaufel angeordnet sind, können auch in der gedachten Verlängerung des Zulaufkanals liegen für den Fall, dass der in den Hohlraum einfließende Gusswerkstoffs diese nicht erreicht.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich dabei durch die vorteilhafte Kombination von Merkmalen der nachfolgenden beschriebenen Vorrichtungen. Es zeigen:
FIG 1 eine perspektivische Darstellung einer Gießvorrichtung mit darin erfindungsgemäß angeordneten Gusskernen und
FIG 2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine.
FIG 1 zeigt in perspektivischer, schematischer Darstellung einen Teil einer Gießvorrichtung 10 zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine. Die Gießvorrichtung 10 umfasst zumindest eine Formschale 12 mit einem Hohlraum 14.
Der Hohlraum 14 ist von einer Oberfläche 16 begrenzt, die die Negativform der herzustellenden Turbinenlaufschaufel darstellt. Im Hohlraum 14 sind insgesamt sechs Gusskerne 18 angeordnet. Die Gusskerne 18 sind dabei immer paarweise angeordnet. Ingesamt sind drei Gusskernpaare vorhanden.
Selbstverständlich kann auch eine größere oder eine geringere Anzahl an Gusskern (paar) en in der Formschale 12 vorhanden sein. Des Weiteren ist in der Formschale 12 für das Einfüllen des flüssigen Gusswerkstoffs ein Zulaufkanal 20 vorgesehen. Dessen ZulaufÖffnung 22 mündet dabei in der Oberfläche 16, die den Hohlraum 14 begrenzt. Der Hohlraum 14 ist in der Formschale 12 derartig ausgebildet, dass zuunterst die Negativform der Schaufelblattspitze der Turbinenlaufschaufel angeordnet ist. Der darüber angeordnete Teil der Oberfläche formt das Negativ des LaufSchaufelblatts . Wiederum oberhalb dessen ist der Teil der Oberfläche so konturiert, dass die Negativform der Plattform der Turbinenlaufschaufel geformt ist. Daran anschließend und somit zuoberst gegenüber der Horizontalebene angeordnet formt der restliche Teil der Oberfläche 16 die Kontur des Schaufelfußes.
Der Zulaufkanal 20 mündet mit seiner ZulaufÖffnung 22 in demjenigen Teil der Oberfläche, welcher einer Stirnseite des Schaufelfußes vorgibt. Der Zulaufkanal 20 hat dabei unmittelbar stromauf der ZulaufÖffnung 22 in der dargestellten Gießvorrichtung eine geradlinige Längserstreckung. Die Längserstreckung des Zulaufkanals 20 verläuft dabei annähernd parallel oder geringfügig geneigt gegenüber der Horizontalebene.
Die Gusskerne 18 sind in FIG 1 nicht vollständig dargestellt. In FIG 1 sind lediglich diejenigen Abschnitte der Gusskerne 18 gezeigt, die im obersten Teil des Hohlraums 14 angeordnet sind, welcher die Negativform des Schaufelfußes vorgibt. Die Form, Kontur und Art der Gusskerne 18 im plattformseitigen Bereich bzw. im schaufelblattseitigen Bereich ist für die Erfindung nicht von weiterem Interesse und kann daher beliebig, beispielsweise mäanderförmig, geradlinig oder auch nur leicht gekrümmt ausgebildet sein. Dabei können die jeweiligen Kühlkanäle auch teilweise wieder zusammengeführt werden .
Die jeweils ein Paar bildenden Gusskerne 18 sind zueinander beabstandet. Der zwischen ihnen vorhandene Abstand A ist dabei so groß, dass heißer, flüssiger Gusswerkstoff beim Befüllen des Hohlraums 14 nicht direkt auf die Gusskerne 18 trifft. Sozusagen strömt der in den Hohlraum 14 zugeführte heiße Gusswerkstoff zwischen zwei unmittelbar benachbarten Gusskernen 18 hindurch. Es soll also der Kontakt zwischen einströmenden flüssigen Gusswerkstoff und Gusskernoberfläche im Fußbereich möglichst vermieden werden. Hierdurch werden Gusskernbereiche mit lokal erhöhter Temperatur vermieden. Die lokal erhöhte Gusskerntemperatur war Ursache für im Stand der Technik auftretende Risserscheinungen an den Wänden von Kühlkanälen von Turbinenlaufschaufeln.
Die gedachte Verlängerung der Längserstreckung des Zulaufkanals 20 erstreckt sich folglich in den freien Bereich zwischen den beiden Gusskernen 18 eines Gusskernpaares. Gemäß der Ausgestaltung der FIG 1 ist die gedachte Verlängerung des Zulaufkanals vollständig frei von Gusskernen 18. Alternativ dazu ist es möglich, dass lediglich nur derjenige Teil der gedachten Verlängerung frei von Gusskernen 18 ist, welcher zulauföffnungsseitig ausgebildet ist. Bezogen auf die Ausgestaltung in FIG 1 bedeutet dies, dass beispielsweise das mittig dargestellte Gusskernpaar bzw. das links dargestellte Gusskernpaar jeweils auch durch einen einzigen Gusskern ersetzt werden kann, deren im Schaufelfuß angeordneten Abschnitte in der gedachten Verlängerung des
Zulaufkanals 20 positioniert sind. Dies setzt jedoch voraus, dass die Reichweite des einfließenden heißen Gusswerkstoffs nicht derartig weit ist, dass der Einströmstrahl diese treffen kann.
In FIG 2 ist in perspektivischer Ansicht eine Turbinenlaufschaufel 30 gezeigt, welche mit der Gießvorrichtung gemäß FIG 1 hergestellt wurde. Die Turbinenlaufschaufel 30 weist einen im Längsschnitt tannenbaumförmig konturierten Schaufelfuß 32 auf, an dem eine Plattform 34 angeordnet ist. An die Plattform 34 schließt sich ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 36 an, welches an einer freistehenden Schaufelblattspitze 38 endet. Die Turbinenlaufschaufel 30 erstreckt sich somit entlang einer Längsachse 40 vom Schaufelfuß 32 zur
Schaufelblattspitze 38 hin. Die Längsachse 40 ist dabei derartig angeordnet, dass sie mittig bzw. symmetrisch zur Kontur zur tannenbaumförmigen Schaufelfußes 32 verläuft. Der Schaufelfuß 32 weist an seiner dem Schaufelblatt 36 abgewandten, quer zur Längsachse 40 verlaufenden Fläche, auch Unterseite 42 genannt, mehrere Öffnungen 44 auf, welche zurückbleiben, wenn die Gusskerne 18 aus der gegossenen Turbinenlaufschaufel 30 entfernt worden sind. Die Öffnungen 44 sind dabei beidseitig der Schaufelfußmitte angeordnet, die im Querschnitt von der Längsachse 40 definiert ist und zudem mittig zwischen den seitlichen, gewellten Oberflächen des Schaufelfußes liegt. Sie liegen dabei in zwei Reihen mit je drei Öffnungen 44. Die Öffnungen 44 dienen zur Einleitung eines Kühlmittels in das Innere der Turbinenlaufschaufel 30. Jede Öffnung 44 bildet dabei ein Ende eines Kühlkanals der Turbinenlaufschaufel 30 aus. Deren Verlauf im Innern der Turbinenlaufschaufel 30 ist für die Erfindung nicht weiter von Bedeutung.
Durch die Erfindung wird eine ungleichmäßige lokale Überhitzung der Gusskerne 18 in der Nähe des Zulaufs beim Befüllen des Hohlraums 14 verhindert. Gleichzeitig kann eine bessere Befüllung erfolgen, da Gusskerne 18 die ZulaufÖffnung 22 nicht mehr blockieren. Eine Kollision von einströmendem heißem Gusswerkstoff mit Gusskernen 18 wird durch die Verwendung der Erfindung verhindert. Außerdem kann durch das unbehinderte Nachfließen von heißem Gusswerkstoff (Speisen) aus den Zuläufen die Erstarrung weiter verbessert werden, was verbleibende Eigenspannung bzw. Restspannung vermindert und die Rissentstehung vermeidet.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Erfindung eine Gießvorrichtung 10 zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel 30 einer Gasturbine betrifft, bei der die Formschale 12, deren Zulauf und die darin angeordneten Gusskerne 18 so zueinander ausgerichtet sind, dass ein in den Hohlraum 14 der Formschale 12 einströmender Gusswerkstoff nicht auf Gusskerne 18 unmittelbar auftrifft. Damit werden sog. heißere Bereiche
(Hot Spots) an Gusskernen 18 vermieden, die sich bisher nachteilig auf die Erstarrung des Gusswerkstoffs ausgewirkt haben. Insbesondere im Bereich des Schaufelfußes 32 der herzustellenden Turbinenlaufschaufel 30 kann somit eine verbesserte Erstarrung des Gusswerkstoffs erreicht werden, was Störung im Gefüge des erstarrten Gusswerkstoffs reduziert. Aufgrund der Verringerung bzw. der Vermeidung der Störungen wird Rissentstehung und Risswachstum im Bereich der schaufelfußseitigen Kühlkanalabschnitte vermieden, was die Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel 30 erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Gießvorrichtung (10) zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel (30) einer Gasturbine, umfassend:
• zumindest eine hohle Formschale (12), deren Hohlraum (14) von einer Oberfläche (16) begrenzt ist und die
Negativform der herzustellenden Turbinenlaufschaufel (30) darstellt, • einen oder mehrere im Hohlraum (14) angeordnete Gusskerne (18) und
• zumindest einen Zulaufkanal (20) für den Gusswerkstoffs, mit einer in der Oberfläche (16) mündenden ZulaufÖffnung (22), wobei die Oberfläche (16) dergestalt in der Formschale
(12) ausgerichtet ist, dass zulaufseitig ein Schaufelfuß
(32) der zu gießenden Turbinenlaufschaufel (30) konturiert ist, wobei die Oberfläche (16) für den Schaufelfuß (32) der Turbinenlaufschaufel (30) beidseits einer Schaufelfußmitte eine symmetrische tannenbaum- oder hammerförmige Kontur aufweist und bei der der Zulaufkanal (20) unmittelbar stromauf seiner ZulaufÖffnung (22) eine Längserstreckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (20) mittig zwischen der tannenbaum- oder hammerförmigen Schaufelfußkontur angeordnet ist und einer der Gusskerne (18) zwar zulauföffnungsseitig, aber außermittig angeordnet sind, so dass derjenige Teil des Hohlraums (14), in welchen eine gedachte strahlenartige Verlängerung des Zulaufkanals (20) hineinragt, zumindest zulauföffnungsseitig frei von Gusskernen (18) ist.
2. Gießvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der der Zulaufkanal (20) in denjenigen Teil der
Oberfläche (16) mündet, welche das Negativ einer ebenen Stirnseite (46) des Schaufelfußes (32) der Turbinenlaufschaufel (30) formt.
3. Gießvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, mit mehreren Gusskernen (18), die zumindest im Bereich ZulaufÖffnung (22) beiderseits der Schaufelfußmitte angeordnet sind.
4. Gießvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei der derjenige Teil des Hohlraums (14), in welchen eine gedachte Verlängerung des Zulaufkanals (20) hineinragt, vollständig frei von Gusskernen (18) ist.
5. Turbinenlaufschaufel (30) für eine Gasturbine welche entlang ihrer Längsachse (40) einen im Längsschnitt tannenbaumförmigen oder hammerförmigen Schaufelfuß (32), eine Plattform (34) und ein sich an die Plattform (34) anschließendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt (36) aufweist, wobei der Schaufelfuß (32) zur Längsachse (40) der Turbinenlaufschaufel (30) beidseits einer Schaufelfußmitte symmetrisch ausgebildet ist und an seiner dem
Schaufelblatt (36) abgewandten, quer zur Längsachse (40) verlaufenden Unterseite (42) eine oder mehrere Öffnungen (44) zur Einleitung eines Kühlmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Öffnungen (44) außermittig angeordnet ist.
6. Turbinenlaufschaufel (30) nach Anspruch 5, bei der zwei Öffnungen (44) beidseitig der
Schaufelfußmitte angeordnet sind.
7. Turbinenlaufschaufel (30) nach Anspruch 5 oder 6, dessen Schaufelfuß (32) zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnseiten (46) aufweist und bei der zwischen den Stirnseiten (46) zumindest zwei in Reihe liegende Öffnungen (44) vorgesehen sind, welche jeweils außermittig angeordnet sind.
8. Turbinenlaufschaufel (30) nach Anspruch 5, 6, oder 7, bei der jede Öffnung (44) ein Ende eines Kühlkanals der Turbinenlaufschaufel (30) ausbildet.
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