EP2441537A1 - Tool for producing cores with variable pins and method for producing a core - Google Patents

Tool for producing cores with variable pins and method for producing a core Download PDF

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EP2441537A1
EP2441537A1 EP10187894A EP10187894A EP2441537A1 EP 2441537 A1 EP2441537 A1 EP 2441537A1 EP 10187894 A EP10187894 A EP 10187894A EP 10187894 A EP10187894 A EP 10187894A EP 2441537 A1 EP2441537 A1 EP 2441537A1
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EP
European Patent Office
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core
pins
core tool
producing
tool
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10187894A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Winfried Esser
Giuseppe Gaio
Waldemar Heckel
Rudolf Küperkoch
Oliver Lüsebrink
Thorsten Mattheis
Mirko Milazar
Artur Mol
Uwe Paul
Oliver Ricken
Oliver Schneider
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
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Priority to US13/275,460 priority patent/US20120118524A1/en
Priority to CN2011103196354A priority patent/CN102451884A/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/06—Core boxes
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49716—Converting

Definitions

  • the invention relates to a core tool with exchangeable pins and method for producing a core.
  • core tools are used to make a ceramic core which deposits the core on certain internal structures, e.g. continuous connection of exterior walls or two interior walls, emboss.
  • These internal struts also provide flow resistance and, for hollow components made by such a core, also affect the flow of cooling air and heat transfer into the cooling air.
  • the object is achieved by a core tool according to claim 1 and a method according to claim 7.
  • FIG. 1 schematically shows a core tool.
  • the core tool 1 has at least two halves, here an upper half 3 and a lower half 4, between which a cavity 2 is formed.
  • pins 5 are present, which are preferably formed in two parts as pin parts 8, 11 here.
  • the core tool halves 3, 4 have projections 13, 13 ', on which the upper pin part 8 and the lower pin part 11 or the pin 9 (FIG. Fig. 2 ) are preferably attached. This can be done by mechanical clamping, soldering or welding.
  • the pin parts 8, 11 are arranged directly opposite in pairs and preferably touch.
  • These pins 8 ( Fig. 1 9, Fig. 2 ) thereby also determine the flow of a cooling medium (cooling air mass flow) through a hollow-cast turbine component, in particular through a turbine blade 120, 130 (FIG. Figure 4 ) as an example of a cast component, which is preferably made of nickel- or cobalt-based superalloys, most preferably of an alloy according to FIG. 5 ,
  • a ceramic material in the form of a viscous mass or other material is introduced into the cavity 2 around the pins 5 (FIG. Fig. 1 9, Fig. 2 ) and the core thus provided is later fired for sintering the ceramic particles and at Casting the hollow cast turbine component 120, 130 used to represent cooling channels.
  • the pins 5, 8 (FIG. Fig. 1 9, Fig. 2 ) replaced by other pins with different shape and / or size.
  • the pins 5, 9 can be changed if other specifications are not met.
  • the core tool halves 3, 4 can be reused, whereby the production of the exchangeable pin parts 8, 11 (FIG. Fig. 1 ) and 9 ( Fig. 2 ) is fast, easy and inexpensive.
  • the advantage is that the necessary process development iterations for adapting the required cooling air mass flow can be carried out by means of the replaceable pins 5, 8, 11, 9 by means of very small and easily executed changes to the core tool.
  • a core tool suitable for mass production is cast and cast to cast components meeting the desired specifications. Furthermore, in the case of wear by a ceramic mass, the pins can be exchanged quickly, easily and inexpensively.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium flows 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • the blades 120, 130 may have anticorrosive coatings (MCrAIX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • MCrAIX anticorrosive coatings
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 786 017 B1 EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 .
  • MCrA1X may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures, which are probably longitudinal grain boundaries, but no transverse grain boundaries exhibit. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10A1-0.6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12A1-0,6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrA1X layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAIX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Abstract

The tool (1) has a cavity (2) that is formed between half sections (3,4). Pins (5) arranged on the half sections are replaced. The upper pin portion (8) and the lower pin portion (11) of the replaceable pins are fixed on projection portions (13,13') that are provided on half portions. The pins arranged on the inner walls (16,19) are projected outwards. The pin portions are fixed on projection portions by clamping, welding or brazing process. An independent claim is included for manufacturing method of core.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernwerkzeug mit austauschbaren Stiften und Verfahren zur Herstellung eines Kerns.The invention relates to a core tool with exchangeable pins and method for producing a core.

Bei Herstellung einer keramischen Gussform werden Kernwerkzeuge für die Herstellung eines keramischen Kerns verwendet, die den Kern auf gewisse innere Strukturen, wie z.B. durchgehende Verbindung von Außenwänden oder zwei Innenwände, prägen.When manufacturing a ceramic casting mold, core tools are used to make a ceramic core which deposits the core on certain internal structures, e.g. continuous connection of exterior walls or two interior walls, emboss.

Diese inneren Verstrebungen stellen auch einen Strömungswiderstand dar und beeinflussen bei hohlen Bauteilen, die mittels eines solchen Kerns hergestellt werden, auch den Durchfluss der Kühlluft und den Wärmeübergang in die Kühlluft.These internal struts also provide flow resistance and, for hollow components made by such a core, also affect the flow of cooling air and heat transfer into the cooling air.

Bei der Herstellung eines Kerns für eine Turbinenschaufel sind oft mehrere Entwicklungsiterationen notwendig, um den Kern so herzustellen, dass er den Anforderungstoleranzen (z.B. Kühlluftmassenstrom) entspricht. Dafür wird bisher entweder das Kernwerkzeug vollständig und damit aufwändig überarbeitet oder jeweils ein neues und teureres Kernwerkzeug hergestellt. Dies ist teuer und gleichzeitig aufwändig.In the manufacture of a core for a turbine blade, multiple development iterations are often necessary to fabricate the core to meet the requirement tolerances (e.g., cooling air mass flow). For this purpose, either the core tool has been completely and thus extensively revised or a new and more expensive core tool produced. This is expensive and at the same time expensive.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung o.g. Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention o.g. Solve a problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kernwerkzeug gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7.The object is achieved by a core tool according to claim 1 and a method according to claim 7.

In den Unteransprüchen werden weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigen

Figur 1, 2
schematisch ein Kernwerkzeug,
Figur 3
eine Gasturbine,
Figur 4
eine Turbinenschaufel,
Figur 5
eine Liste von Superlegierungen.
Show it
FIG. 1, 2
schematically a core tool,
FIG. 3
a gas turbine,
FIG. 4
a turbine blade,
FIG. 5
a list of superalloys.

Die Figuren und das Ausführungsbeispiel stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the embodiment represent only embodiments of the invention.

Figur 1 zeigt schematisch ein Kernwerkzeug 1. FIG. 1 schematically shows a core tool. 1

Das Kernwerkzeug 1 weist zumindest zwei Hälften auf, hier eine obere Hälfte 3 und eine untere Hälfte 4, zwischen denen ein Hohlraum 2 ausgebildet ist.The core tool 1 has at least two halves, here an upper half 3 and a lower half 4, between which a cavity 2 is formed.

Zwischen den Hälften 3, 4 des Kernwerkzeugs 1 sind Stifte 5 vorhanden, die hier vorzugsweise zweiteilig als Stiftteile 8, 11 ausgebildet sind.Between the halves 3, 4 of the core tool 1 pins 5 are present, which are preferably formed in two parts as pin parts 8, 11 here.

Sie können aber auch als einteilige Stifte 9 ausgebildet sein (Fig. 2).But they can also be designed as one-piece pins 9 ( Fig. 2 ).

Die Kernwerkzeughälften 3, 4 weisen Vorsprünge 13, 13' auf, an denen der obere Stiftteil 8 und der untere Stiftteil 11 oder der Stift 9 (Fig. 2) vorzugsweise befestigt sind. Dies kann durch mechanische Klammerung, Löten oder Schweißen erfolgen. Die Stiftteile 8, 11 sind direkt gegenüber paarweise angeordnet und berühren sich vorzugsweise.The core tool halves 3, 4 have projections 13, 13 ', on which the upper pin part 8 and the lower pin part 11 or the pin 9 (FIG. Fig. 2 ) are preferably attached. This can be done by mechanical clamping, soldering or welding. The pin parts 8, 11 are arranged directly opposite in pairs and preferably touch.

Die gleiche Befestigung wird für den einteiligen Stift 9 (Fig. 2) angewandt.The same fixture is used for the one-piece pin 9 ( Fig. 2 ) applied.

Die Form und Größe dieser Stifte 8 (Fig. 1), 9 (Fig. 2) bestimmen dabei auch den Durchfluss eines Kühlmediums (Kühlluftmassenstrom) durch eine hohlgegossene Turbinenkomponente, insbesondere durch eine Turbinenschaufel 120, 130 (Fig.4) als ein Beispiel für ein Gussbauteil, das vorzugsweise aus nickel- oder kobaltbasierten Superlegierungen hergestellt wird, ganz vorzugsweise aus einer Legierung gemäß Figur 5.The shape and size of these pins 8 ( Fig. 1 9, Fig. 2 ) thereby also determine the flow of a cooling medium (cooling air mass flow) through a hollow-cast turbine component, in particular through a turbine blade 120, 130 (FIG. Figure 4 ) as an example of a cast component, which is preferably made of nickel- or cobalt-based superalloys, most preferably of an alloy according to FIG. 5 ,

Zur Herstellung eines Kerns für eine Gussform wird ein keramisches Material in Form einer viskosen Masse oder ein anderes Material in den Hohlraum 2 um die Stifte 5 (Fig. 1), 9 (Fig. 2) gepresst und der so bereitgestellte Kern wird später zum Versintern der keramischen Partikel gebrannt und beim Gießen der hohlgegossenen Turbinenkomponente 120, 130 zur Darstellung von Kühlkanälen verwendet.To produce a core for a casting mold, a ceramic material in the form of a viscous mass or other material is introduced into the cavity 2 around the pins 5 (FIG. Fig. 1 9, Fig. 2 ) and the core thus provided is later fired for sintering the ceramic particles and at Casting the hollow cast turbine component 120, 130 used to represent cooling channels.

Stellt sich nun heraus, dass der Durchfluss des Kühlmediums durch das gegossene Bauteil, das um den Kern gegossen wird, nicht den technischen Vorgaben entspricht (z.B. zu groß ist oder sonstige geometrische Abweichungen auftreten), werden die Stifte 5, 8 (Fig. 1), 9 (Fig. 2) durch andere Stifte mit anderer Form und/oder Größe ersetzt. Ebenso können die Stifte 5, 9 geändert werden, wenn andere Spezifikationen nicht erfüllt werden.If it now turns out that the flow of the cooling medium through the cast component, which is cast around the core, does not meet the technical specifications (eg is too large or other geometric deviations occur), the pins 5, 8 (FIG. Fig. 1 9, Fig. 2 ) replaced by other pins with different shape and / or size. Likewise, the pins 5, 9 can be changed if other specifications are not met.

Dabei werden der untere Stiftteil 11 (Fig. 1) und der obere Stiftteil 8 (Fig. 1) oder der gesamte Stift 9 (Fig. 2) von den Kernwerkzeughälften 3, 4, insbesondere von den Vorsprüngen 13, 13' gelöst und Stifte mit modifiziertem, insbesondere geringerem Querschnitt bei zu geringem Durchfluss oder größerem Querschnitt bei zu großem Durchfluss aufgebracht.In this case, the lower pin part 11 ( Fig. 1 ) and the upper pin part 8 (FIG. Fig. 1 ) or the entire pen 9 (FIG. Fig. 2 ) of the Kernwerkzeughälften 3, 4, in particular of the projections 13, 13 'and applied pins with a modified, in particular smaller cross section at too low flow or larger cross section at excessive flow.

So können die Kernwerkzeughälften 3, 4 wieder verwendet werden, wobei die Herstellung der austauschbaren Stiftteile 8, 11 (Fig. 1) und 9 (Fig. 2) schnell, einfach und kostengünstig erfolgt.Thus, the core tool halves 3, 4 can be reused, whereby the production of the exchangeable pin parts 8, 11 (FIG. Fig. 1 ) and 9 ( Fig. 2 ) is fast, easy and inexpensive.

Dann wird mit einem veränderten Kernwerkzeug mit verändertem Durchmesser der Stifte 5, 8, 11 (Fig. 1), 9 (Fig. 2) wiederum ein neuer Kern hergestellt, so dass ein neues Gussbauteil mit diesem Kern, der zum Gießen verwendet wird, der dann der Spezifikation entspricht oder ggf. in einer weiteren Iteration nochmals die Stifte 5, 8, 11, 9 verändert werden, bis die gewünschte Toleranz erreicht wird.Then, with an altered core tool of changed diameter, the pins 5, 8, 11 (FIG. Fig. 1 9, Fig. 2 In turn, a new core is made, so that a new cast component with this core, which is used for casting, which then corresponds to the specification or possibly in another iteration again the pins 5, 8, 11, 9 are changed until the desired Tolerance is achieved.

Der Vorteil besteht darin, dass durch sehr geringe und einfach auszuführende Veränderung des Kernwerkzeugs mittels der austauschbaren Stifte 5, 8, 11, 9 die notwendigen Prozessentwicklungsiterationen zur Anpassung des geforderten Kühlluftmassenstroms durchgeführt werden können.The advantage is that the necessary process development iterations for adapting the required cooling air mass flow can be carried out by means of the replaceable pins 5, 8, 11, 9 by means of very small and easily executed changes to the core tool.

Am Ende der Iteration(en) enthält man ein Kernwerkzeug, das für die Serienproduktion geeignet ist und die Gussbauteile abgießen lässt, die die gewünschten Spezifikationen erfüllen. Des Weiteren können in der Produktion bei Verschleiß durch eine keramische Masse die Stifte schnell, einfach und kostengünstig ausgetauscht werden.At the end of the iteration (s), a core tool suitable for mass production is cast and cast to cast components meeting the desired specifications. Furthermore, in the case of wear by a ceramic mass, the pins can be exchanged quickly, easily and inexpensively.

Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.The FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.

Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.The gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.

Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.Along the rotor 103 follow one another an intake housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th

Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.

Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.The guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.

An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.During operation of the gas turbine 100, air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104. The compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium flows 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120. On the blades 120, the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives the machine coupled to it.

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.The components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100. The guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.

Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.

Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).

Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.As the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAIX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .Likewise, the blades 120, 130 may have anticorrosive coatings (MCrAIX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium). Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 ,

Auf der MCrA1X kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrA1X may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.The vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.The FIG. 4 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121.

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.The blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.

Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).As a guide blade 130, the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.The blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.The blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.In conventional blades 120, 130, for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.The blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.The production of such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.

Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal. In these processes, it is necessary to avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily forms transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).The term generally refers to directionally solidified microstructures, which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures, which are probably longitudinal grain boundaries, but no transverse grain boundaries exhibit. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.Such methods are known from U.S. Patent 6,024,792 and the EP 0 892 090 A1 known.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrA1X; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .Likewise, the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)). Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 ,

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.The density is preferably 95% of the theoretical density.

Auf der MCrAIX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAIX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).

Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8A1-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10A1-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12A1-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10A1-0.6Y. In addition to these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12A1-0,6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.

Auf der MCrA1X kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrA1X may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrA1X-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.The thermal barrier coating covers the entire MCrA1X layer. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAIX-Schicht.Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAIX layer.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Claims (7)

Kernwerkzeug (1),
das zumindest eine erste Hälfte (3) und eine zweite Hälfte (4) aufweist,
insbesondere daraus (3, 4) besteht,
die (3, 4) einen Hohlraum (2) bilden,
in dem Stifte (5, 9) an den Hälften (3, 4) angeordnet sind, wobei die Stifte (5, 9) austauschbar sind.Core tool (1),
having at least a first half (3) and a second half (4),
especially from this (3, 4)
(3, 4) form a cavity (2),
in which pins (5, 9) are arranged on the halves (3, 4), the pins (5, 9) being exchangeable. Kernwerkzeug nach Anspruch 1,
bei dem die austauschbaren Stifte (5, 9) durch einen oberen (8) und einen unteren gegenüber liegenden Stiftteil (11) gebildet werden.Core tool according to claim 1,
in which the exchangeable pins (5, 9) are formed by an upper (8) and a lower opposite pin part (11). Kernwerkzeug nach Anspruch 1,
bei dem der Stiftteil (5, 8, 9, 11) nur an einer Innenwand (16, 19) des Kernwerkzeugs (1) angeordnet ist und insbesondere nicht durch eine Hälfe (3, 4) hindurchragt.Core tool according to claim 1,
in which the pin part (5, 8, 9, 11) is arranged only on an inner wall (16, 19) of the core tool (1) and in particular does not project through one half (3, 4). Kernwerkzeug nach Anspruch 1,
bei dem die austauschbaren Stifte (5, 8, 9, 11) auf Vorsprüngen (13', ...),
die an den Hälften (3, 4) des Kernwerkzeugs (1) ausgebildet sind,
befestigt sind.Core tool according to claim 1,
in which the exchangeable pins (5, 8, 9, 11) on projections (13 ', ...),
which are formed on the halves (3, 4) of the core tool (1),
are attached. Kernwerkzeug nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
bei dem die Stifteile (8, 11) sich berühren.Core tool according to claim 1, 2, 3 or 4,
in which the Stifteile (8, 11) touch each other. Kernwerkzeug nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem die Stifte (5, 8, 11, 9) den Hohlraum (2) vollständig überbrücken.Core tool according to claim 1, 2, 3, 4 or 5,
in which the pins (5, 8, 11, 9) completely bridge the cavity (2). Verfahren zur Herstellung eines Kerns mittels eines Kernwerkzeuges,
insbesondere mittels eines Kernwerkzeugs (1) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 5 oder 6,
bei dem in zumindest einer Iteration ein innerer Stift (5, 8, 9, 11) des Kernwerkzeugs (1) variiert wird,
um den Kern zu verändern.Method for producing a core by means of a core tool,
in particular by means of a core tool (1) according to claim 1, 2, 3, 5 or 6,
in which, in at least one iteration, an inner pin (5, 8, 9, 11) of the core tool (1) is varied,
to change the core.
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