EP2421666A1 - Casting apparatus for producing a turbine rotor blade of a gas turbine and turbine rotor blade - Google Patents

Casting apparatus for producing a turbine rotor blade of a gas turbine and turbine rotor blade

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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
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casting
blade
turbine blade
turbine
cores
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10713950A
Other languages
German (de)
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP10713950A priority Critical patent/EP2421666A1/en
Publication of EP2421666A1 publication Critical patent/EP2421666A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
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Abstract

The invention relates to a casting apparatus (10) for producing a turbine rotor blade (30) of a gas turbine, and to a turbine rotor blade (30) produced therewith. The casting apparatus comprises at least one hollow ceramic shell mold (12), of which the pouring gate and cores (18) arranged therein are oriented with respect to each other such that a hot casting material flowing into a cavity (14) of the ceramic shell mold (12) does not come in direct contact with the cores (18). Thus, so-called hot spots on cores (18) are avoided, which until now have had negative effects on the solidification of the casting material. Especially in the region of the blade root (32) of the turbine rotor blade (30) to be produced improved solidification of the casting material may thus be obtained, reducing any disturbance in the structure of the solidified casting material. By reducing and/or preventing the disturbances, the development and propagation of cracks in the region of the cooling channel sections on the side of the blade root are avoided, resulting in an increased service life of the turbine rotor blade (30).

Description

Beschreibungdescription
Gießvorrichtung zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine und TurbinenlaufschaufelCasting apparatus for producing a turbine blade of a gas turbine and turbine blade
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.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.
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 herzustellendenCasting devices, also called casting devices, for producing a turbine blade of a gas turbine are known from the prior art for the longest time. As is known, for example, from US Pat. No. 5,465,780, 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
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.Representing turbine blade. Since turbine blades, in particular the blades of front turbine stages, usually have to be cooled, these are also hollow. During operation, a cooling medium, usually cooling air, can be carried through the cavities of the turbine blade, so that the turbine blades have a particularly long service life and do not prematurely suffer thermal damage due to the hot gas flow passing past them. 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. For this reason, 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. Furthermore, it is known that 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.
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.It has been found in turbine blades, that the walls of the arranged in the blade root portions of the cooling channels in operation tend to cracking and crack growth. These cracks can affect the service life of the turbine bucket and shorten it if necessary.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einerThe object of the invention is therefore to provide a
Turbinenlaufschaufel mit einer erhöhten Lebensdauer und die Bereitstellung einer Gießvorrichtung zum Herstellen einer solchen Turbinenlaufschaufel.A turbine blade having an increased life and providing a casting apparatus for manufacturing such a turbine blade.
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.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.
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 dieThe 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. In the prior art, 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. The terms "top" and "bottom" refer to the
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, heißenHorizontal plane. The feed for the molten casting material is usually also on top, since it has been found to be advantageous Turbine blades are produced in falling casting, in which the place of the last solidification of the casting material is above and thus at the massive blade root. In known from the prior art casting devices of the inlet channel extends transversely to the longitudinal axis of the turbine blade and thus approximately parallel to the horizontal plane to indicate a low in the casting device. As a result of this transverse feed of the molten casting material, this flows into the cavity of the mold shell after it leaves the inlet opening and subsequently falls to the bottom of the mold shell, where the negative of the blade tip is formed. Continued supply of molten cast material completely fills the cavities for the airfoil, platform, and blade root of the turbine blade with liquid, hot
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.Casting material on. Since the blade root is usually hammer-shaped or fir tree symmetrical, and the cooling channels are usually positioned centrally in the blade root, occurred in the conventional casting always situations in which the flowing into the cavity of the shell mold liquid casting material transversely applied to the positioned before the inlet opening casting cores , In detail, the molten casting material hit the foot area of the centered casting core. As a result, the casting cores warmed up more at the point of impact of the hot casting material than in other areas. These hotter core areas are also referred to as hot spots. The other areas of the casting cores, on the other hand, were not so extremely heated up. During the cooling of the casting material and the consequent solidification, a delayed solidification of the casting material occurred in those regions of the casting material which adjoin the locally hotter regions of the casting cores, compared with cooler regions of the casting cores. Due to the delayed solidification of the casting material in the corresponding areas, disturbances in the microstructure of the solidified material occurred, which favored crack formation and crack growth during operation. Based on this finding, 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. Since most of the inlet end is arranged centrally in the region of the blade root, it is necessary that the casting cores are arranged off-center, relative to the longitudinal axis of the blade root. This leads to a casting apparatus, in which that part of the cavity in which an imaginary extension of the inlet channel protrudes, at least zulauföffnungsseitig is free of casting cores.
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 undWith a casting device according to the invention is thus avoided that occurs when filling the inflowing hot casting material in the cavity of the shell mold this transversely on casting cores and thereby hot casting core areas, so-called hot spots arise. By avoiding hotter casting core areas, a locally retarded solidification of the casting material no longer occurs during cooling. The solidification of the casting material is thus made uniform overall, so that impurities in the structure of the turbine blade material can be avoided. By avoiding the impurities crack formation and
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.Crack growth in the material of turbine blades, which surrounds the blade root side sections of cooling ducts, effectively avoided during operation. This reduces waste and prolongs the life of turbine blades.
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.Since, as a rule, 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.
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 bisherigeThe 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. Furthermore, 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
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.Cross-sectional area then distributed to the respective two cooling channels, which then each have a half of the previous cross-sectional area. Consequently, a prior art cooling channel input is split into two cooling channel inputs in a turbine blade according to the present invention.
Dies hat zur Folge, dass bei einer Turbinenlaufschaufel zwei Öffnungen an der Unterseite, jedoch beidseitig der Schaufelfußmitte angeordnet sind, wobei die ÖffnungenThis has the consequence that in a turbine blade two openings at the bottom, but are arranged on both sides of the Schaufelfußmitte, wherein the openings
Zuführöffnungen von Kühlmittel für die Turbinenlaufschaufel darstellen. Jede Öffnung bildet somit ein Ende eines Kühlkanals der Turbinenlaufschaufel aus.Represent supply openings of coolant for the turbine blade. Each aperture thus forms one end of a cooling passage of the turbine blade.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gießvorrichtung und derAdvantageous embodiments of the casting apparatus and the
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.Turbine blade are specified in the subclaims. Preferably, 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. At the same time, 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.
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.Preferably, in a casting device, that part of the cavity in which an imaginary extension of the inlet channel protrudes is completely free of casting cores. Thus, not only zulauföffnungsseitig the cavity of the shell mold is free of casting cores, but also that portion of the cavity free of casting cores, which is opposite to the inlet opening.
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.Depending on the configuration of the turbine blade of the casting device and the process parameters set during the casting of the turbine blade, it is sufficient that not all casting cores are arranged off-center, but only those which are arranged particularly close to the inlet opening. In other words, the cores furthest away from the inlet opening, the sections of which are arranged in the turbine blade airfoil portion, 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.
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:The further explanation of the invention will now be described with reference to the embodiment shown in the drawing. Expedient refinements result from the advantageous combination of features of the devices described below. Show it:
FIG 1 eine perspektivische Darstellung einer Gießvorrichtung mit darin erfindungsgemäß angeordneten Gusskernen und1 shows a perspective view of a casting apparatus with therein according to the invention arranged casting cores and
FIG 2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine.2 shows a perspective view of a turbine blade according to the invention for a gas turbine.
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 14.1 shows a perspective, schematic representation of part of a casting apparatus 10 for producing a turbine blade of a gas turbine. The casting apparatus 10 comprises at least one mold shell 12 with a cavity 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.The cavity 14 is bounded by a surface 16, which is the negative mold of the turbine blade to be produced. In the cavity 14 a total of six casting cores 18 are arranged. The casting cores 18 are always arranged in pairs. In total there are three pairs of cores.
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.Of course, a larger or a smaller number of casting core (pairs) may also be present in the shell 12. Furthermore, 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. Again, above that, 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.
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.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.
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 .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.
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.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. As it were, 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 Gusskernoberfläche in the foot as possible avoided. As a result, 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.
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 desThe 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. According to the embodiment of FIG 1, the imaginary extension of the inlet channel is completely free of casting cores 18. Alternatively, it is possible that only that part of the imaginary extension is free of casting cores 18, which is formed zulauföffnungsseitig. With reference to the embodiment in FIG. 1, this means that, for example, the casting core pair shown on the left or the casting core pair shown on the left can each also be replaced by a single casting core whose sections arranged in the blade root are in the imaginary extension of FIG
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.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.
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 zurFIG. 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
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.Blade tip 38 out. 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.
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.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.
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 BereicheIn summary, 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
(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. (Hot spots) avoided on casting cores 18, which have so far adversely affected the solidification of the cast material. In particular in the area of the blade root 32 of the turbine blade 30 to be produced, improved solidification of the cast material can thus be achieved, which reduces interference in the structure of the solidified cast material. Due to the reduction or avoidance of the disturbances cracking and crack growth is avoided in the area of the blade root side cooling channel sections, which increases the life of the turbine blade 30.

Claims

Patentansprüche claims
1. Gießvorrichtung (10) zum Herstellen einer Turbinenlaufschaufel (30) einer Gasturbine, umfassend:A casting apparatus (10) for producing a turbine blade (30) of a gas turbine, comprising:
• zumindest eine hohle Formschale (12), deren Hohlraum (14) von einer Oberfläche (16) begrenzt ist und dieAt least one hollow shell mold (12) whose cavity (14) is delimited by a surface (16) and which
Negativform der herzustellenden Turbinenlaufschaufel (30) darstellt, • einen oder mehrere im Hohlraum (14) angeordnete Gusskerne (18) undNegative form of the turbine blade (30) to be produced, • one or more in the cavity (14) arranged casting cores (18) and
• zumindest einen Zulaufkanal (20) für den Gusswerkstoffs, mit einer in der Oberfläche (16) mündenden ZulaufÖffnung (22), wobei die Oberfläche (16) dergestalt in der Formschale• at least one inlet channel (20) for the casting material, with an inlet opening (22) opening into the surface (16), the surface (16) being in the form shell in such a way
(12) ausgerichtet ist, dass zulaufseitig ein Schaufelfuß(12) is aligned, that on the inlet side a blade root
(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.(32) of the turbine blade (30) to be cast is contoured, wherein the surface (16) for the blade root (32) of the turbine blade (30) on both sides of a Schaufelfußmitte a symmetrical fir-tree or hammer-shaped contour and in which the inlet channel (20) directly upstream of its inlet opening (22) has a longitudinal extent, characterized in that the inlet channel (20) is arranged centrally between the fir-tree or hammer-shaped Schaufelfußkontur and one of the casting cores (18) admittedly zulauföffnungsseitig, but are arranged eccentrically, so that that part of the cavity (14), in which an imaginary radial extension of the inlet channel (20) protrudes, at least zulauföffnungsseitig free of casting cores (18).
2. Gießvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der der Zulaufkanal (20) in denjenigen Teil der2. casting device (10) according to claim 1, wherein the inlet channel (20) in those part of the
Oberfläche (16) mündet, welche das Negativ einer ebenen Stirnseite (46) des Schaufelfußes (32) der Turbinenlaufschaufel (30) formt. Surface (16) opens, which forms the negative of a flat end face (46) of the blade root (32) of the turbine blade (30).
3. Gießvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, mit mehreren Gusskernen (18), die zumindest im Bereich ZulaufÖffnung (22) beiderseits der Schaufelfußmitte angeordnet sind.3. casting device (10) according to claim 1 or 2, with a plurality of casting cores (18), which are arranged at least in the region ZulaufÖffnung (22) on either side of the Schaufelfußmitte.
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.4. casting device (10) according to one of claims 1 to 3 in which that part of the cavity (14), in which an imaginary extension of the inlet channel (20) protrudes, completely free of casting cores (18).
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 dem5. Turbine blade (30) for a gas turbine which along its longitudinal axis (40) has a fir-shaped or hammer-shaped blade root (32) in longitudinal section, a platform (34) and an aerodynamically curved blade (36) adjoining the platform (34), wherein the blade root (32) to the longitudinal axis (40) of the turbine blade (30) is formed symmetrically on both sides of a Schaufelfußmitte and at its the
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.Blade (36) facing away, transverse to the longitudinal axis (40) extending bottom (42) has one or more openings (44) for introducing a coolant, characterized in that at least one of the openings (44) is arranged off-center.
6. Turbinenlaufschaufel (30) nach Anspruch 5, bei der zwei Öffnungen (44) beidseitig der6. turbine blade (30) according to claim 5, wherein the two openings (44) on both sides of
Schaufelfußmitte angeordnet sind. Schaufelfußmitte are arranged.
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.7. turbine blade (30) according to claim 5 or 6, the blade root (32) has two opposite planar end faces (46) and in which between the end faces (46) at least two in-line openings (44) are provided, which respectively off-center are arranged.
8. Turbinenlaufschaufel (30) nach Anspruch 5, 6, oder 7, bei der jede Öffnung (44) ein Ende eines Kühlkanals der Turbinenlaufschaufel (30) ausbildet. A turbine blade (30) according to claim 5, 6 or 7, wherein each orifice (44) forms one end of a cooling passage of the turbine blade (30).
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