EP2918775A1 - Method for closing an opening of a turbine blade and plug suited for same - Google Patents

Method for closing an opening of a turbine blade and plug suited for same Download PDF

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EP2918775A1
EP2918775A1 EP14158866.5A EP14158866A EP2918775A1 EP 2918775 A1 EP2918775 A1 EP 2918775A1 EP 14158866 A EP14158866 A EP 14158866A EP 2918775 A1 EP2918775 A1 EP 2918775A1
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EP
European Patent Office
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plug
opening
turbine blade
stopper
holder
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14158866.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Björn Buchholz
Andreas Heselhaus
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
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • 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
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    • F05D2260/31—Retaining bolts or nuts
    • F05D2260/311—Retaining bolts or nuts of the frangible or shear type

Definitions

  • the invention relates to a method for closing an opening of a turbine blade and a particularly suitable plug.
  • parts of turbine blades or else complete turbine blades which are used in particular in aircraft gas turbines and in stationary gas turbines, are produced by a casting process. Since the turbine blades during operation must withstand relatively high temperatures permanently, they can be cooled and thus hollow designed. During the operation of a gas turbine, a cooling medium, for example cooling air or cooling steam, can then flow inside the coolable turbine blade in order to discharge and dissipate the heat energy introduced from the outside into the blade material. To produce the cavities thus casting cores are needed, which must be positioned in a casting device, with which the turbine blade can be cast. As is known, the casting cores have previously been positioned by so-called quartz pins. However, these pins leave openings in the cast turbine blade, which are in principle undesirable. To close such Kernhalteö réelleen, it is for example from the EP 1 228 293 B1 known to insert a plug in these holes and to weld this with the turbine blade.
  • a cooling medium for example cooling air or cooling steam
  • welding of the plug has been found to be disadvantageous because the welding process can induce cracks in the turbine blade that can endanger integrity as the service life increases.
  • Another disadvantage is that the weld metal is usually a different material than the material of the turbine blade. Due to different Thermal expansion coefficients expand some components when heat input more than the base material of the turbine blade, which favors cracking and crack growth in the turbine blade.
  • the object of the invention is to provide a simple and reliable in handling method for producing a service life-prolonged turbine blade. It is another object of the invention to provide a particularly suitable plug.
  • the object directed to the method is achieved with the features of claim 1.
  • the task directed to the plug is achieved by the entirety of the features of claim 6.
  • the method of closing an opening in a cast turbine blade is to first make a main body of the turbine blade or the turbine blade itself.
  • the opening to be closed can be a core holding opening. However, it can also be an opening made either as a through hole or as a blind hole, which was introduced as part of a repair of a (operationally required) turbine blade in the main body of the turbine blade or in the turbine blade, for example, to drill a crack. Thereafter, a thread can be introduced into the opening, preferably by erosion.
  • either the plug and / or the walls of the opening are coated with the mostly pasty adhesive.
  • the plug still a holder - the stopper holder - includes.
  • plug and stopper holder as a workpiece in one piece and preferably made by turning.
  • the workpiece comprises a first portion which later serves as a plug and a second portion which serves as a holding and screwing tool for the plug.
  • a predetermined breaking point is provided between stopper and stopper holder .
  • the plug is sized to correspond to the dimensions of the opening of the turbine blade.
  • the stopper holder is larger than the stopper to be screwed in: the stopper holder can therefore have a larger diameter than the stopper, for example a size of about 1 cm, a reasonable length of the usually cylindrical stopper holder is between 2 cm and 4 cm. Because of the much larger stopper holder, the stopper, which is still attached at the time, can be handled much better during the screwing process than the stopper that was previously screwed in. This had no stopper holder and had mostly a diameter of not more than 4 mm with a maximum stopper length of 4 mm, which made a jitter-free and careful handling even in the presence of a slot or a hexagon socket for screwing the plug mandatory.
  • the plug holder Since a predetermined breaking point is disposed between the plug and the plug holder, after insertion of the plug into the opening of the turbine blade, the plug holder can be readily separated or broken off so that the plug alone remains in the wall of the cast turbine blade.
  • the predetermined breaking point is to be made so that its supporting cross-sectional area is large enough to allow the screwing of the plug.
  • the supporting cross-sectional area must be small enough to be able to break off the stopper holder by hand.
  • the plug can be temporarily fixed in the opening during curing. After curing of the ceramic adhesive, the plug sits cohesively in the opening, but a material connection between the plug and the wall in which the opening is arranged, is avoided. The material interface occurs only on the one hand between the adhesive and plug and on the other hand between the adhesive and the wall. As a result, therefore, between the plug and the inner surface of the opening, at least partially, preferably completely, the ceramic adhesive is present.
  • the invention is also based on the finding that ceramic-based adhesives are now commercially available which have a temperature resistance of 1500 ° C. and more, so that these ceramic adhesives, despite their use in a turbine blade of a gas turbine and the high hot gas temperature occurring therein, Temperatures neither degrade nor lose their connecting property.
  • An example of such a ceramic adhesive is the adhesive with the brand name "Resbond 989" from Polytec PT GmbH.
  • the plug sits positively in the opening.
  • a positive connection of the plug in the opening are a screw connection and the bayonet lock.
  • the ceramic adhesive By a positive connection, the plug can be fundamentally connected to the main body of the turbine blade, the ceramic adhesive then has only the task of preventing the release of the positive connection.
  • the ceramic adhesive serves as a security against rotation. This is particularly advantageous when the turbine blade is designed as a blade and the opening to be closed at the blade tip is arranged on the front side of the blade. During normal operation of the turbine blade then act on the plug centrifugal forces, which are the same direction with the longitudinal axis of the opening.
  • the forces acting on the plug centrifugal forces are transmitted via the positive connection in the main body of the turbine blade, which is why the adhesive then withstand much lower shear forces than in that solution in which the plug is designed purely cylindrical with a smooth surface and the wall the opening accordingly as well.
  • the positive connection ensures a particularly secure fit of the plug.
  • the positive connection may be formed as a cylindrical or conical screw.
  • the advantage of the conical screw connection is that a maximum of one revolution is required to secure the plug in the opening.
  • the threads required to make the fitting are eroded into the aperture and the plug. Eroding is a process that only minimally introduces cracks in the base material.
  • the embodiment in which the stopper is made of the same material as the stopper is particularly preferred Turbine blade or as the main body of the turbine blade, in which the hole to be closed is arranged.
  • a plug which consists of the same base material as the main body of the turbine blade, thermally expands as the surrounding material of the body, so that this solution is stress-free even during the intended use of the turbine blade, because despite the heating of the turbine blade no compressive stress produced in the material surrounding the plug.
  • the wall having the closed opening and also the stopper seated therein are coated in a planar manner.
  • the coating represents a further protection of the plug against loosening. This is especially true for screwed plugs.
  • a corrosion protection layer can be used, which is well known as MCrAlY coating or even Alit réelle, which is often applied inside the turbine blade.
  • the invention relates to a manufacturing method for closing an opening in a cast turbine blade.
  • a workpiece initially comprises the plug and a stopper holder with interposed predetermined breaking point, said stopper holder after insertion of the plug into the opening of the turbine blade is separated from the stopper.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a foot portion and a part of a channel system 5 of an air-cooled turbine blade 1.
  • the channel system 5 is located substantially in the airfoil portion 3 of the turbine blade 1. It has an inlet opening 22 at the foot region 2 at the beginning of the flow path 6 of the cooling air through which Cooling air is introduced into the channel system 5 and outlet openings 8 in the outflow region 21 of the turbine blade 1 through which the cooling air leaves the channel system 5 at the end of its flow path 6.
  • the cooling air is routed on its flow path 6 meandering in the channels 12, which are separated from each other by intermediate walls 24 from the foot area to the head area, not shown, and in turn to the foot area.
  • the channels 12 are interconnected by reversal points 13 adjacent to the foot region 2 or the head region.
  • an opening 10 which is required due to the production of the cast turbine blade 1.
  • a plug 20 is inserted, whereby the opening 10 is hermetically sealed.
  • the plug 20 is stepped cylindrically shaped corresponding to the opening 10 and fixed in the opening 10 solely by means of a ceramic, high temperature resistant adhesive.
  • FIGS. 2 and 3 Further embodiments are shown in which the plug 20 is particularly reliable in the opening 10.
  • FIGS. 2 and 3 each show in longitudinal section only schematically the radially outwardly (with respect to the machine axis of a gas turbine, not shown) further outwardly disposed wall 15 of the blade of a blade designed as a blade turbine blade 1.
  • the wall 15 is also referred to as the crown bottom.
  • the in FIG. 2 above the wall 15 shown region 23 is located outside the turbine blade 1, whereas the in FIG. 2 Below the wall 15 shown region 25 is located within the turbine blade 1 and thus part of that cavity, which is flowed through during operation of cooling air.
  • the opening 10 is arranged, which penetrates the wall 15 completely.
  • the plug 20 which completely closes the opening 10.
  • the plug 20 is as in FIG.
  • the plug 20 closes the opening 10 completely over the entire axial extent of the longitudinal axis 27 of the opening 10, which is absolutely necessary in any embodiment.
  • an internal thread is provided on the inner surface of the opening 10.
  • an outer thread is provided on the shell-side outer surface of the plug 20, so that the plug 20 is screwed into the opening 10.
  • Between the two threads of the high temperature resistant ceramic adhesive is present as anti-rotation. This adhesive is before screwing the plug 20 in the opening 10 applied to either the thread of the plug 20 and / or on the thread of the opening 10 mostly a large area.
  • a coating 29, 31 is provided from the outside as well as from the inside. Both coatings 29, 31 are applied flat on the wall 15 and completely cover the plug 20 and its interface with the wall 15.
  • the coating 29 could be, for example, a corrosion protection layer of the MCrAlY type. This could further be applied to a ceramic thermal barrier coating, but which is not shown here.
  • the interior coating 31 could be an alitization.
  • FIG. 3 indicates one FIG. 2 alternative embodiment, wherein hereinafter only the differences from the embodiment according to FIG. 2 be explained.
  • a conical screw connection 19 instead of a conical screw connection 19, a cylindrical screw connection 19 is provided, ie both the plug 20 and the opening 10 are substantially cylindrical in their longitudinal extent, apart from the threads.
  • the one-piece, substantially cylindrical workpiece 18 includes a plug 20 and a plug holder 26, wherein at the location with the smallest cross-sectional area a predetermined breaking point 28 is provided at the stopper holder 26 after insertion or screwing of the plug 20 in the opening 10 of the turbine blade 1 can be broken off.
  • the predetermined breaking point has a circular cross section with a diameter of not more than 3 mm.
  • the illustrated plug 20 also has an external thread 30 for screwing into a threaded opening.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gegossene Turbinenschaufel (1) mit einer durch einen Stopfen (20) verschlossenen Öffnung (10) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel (1). Um eine vergleichsweise langlebige Turbinenschaufel (1) anzugeben, deren Spannung im Bereich der verschlossenen Öffnung (10) minimiert sind und die zudem vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass ein Werkstück (18) anfänglich den Stopfen (20) und einen Stopfenhalter (26) sowie eine dazwischen angeordnete Sollbruchstelle (28) umfasst, wobei besagter Stopfenhalter (26) nach dem Einsetzen des Stopfens (20) in die Öffnung (10) der Turbinenschaufel (1) vom Stopfen (20) abgebrochen wird.The invention relates to a cast turbine blade (1) with an opening (10) closed by a plug (20) and to a method for producing such a turbine blade (1). In order to specify a comparatively long-lived turbine blade (1), the tension of which is minimized in the area of the closed opening (10) and which is comparatively easy and inexpensive to produce, it is proposed that a workpiece (18) initially comprise the plug (20) and a plug holder (26) and a predetermined breaking point (28) arranged therebetween, wherein said plug holder (26) after the insertion of the plug (20) in the opening (10) of the turbine blade (1) from the stopper (20) is stopped.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer Öffnung einer Turbinenschaufel und einen dazu besonders geeigneten Stopfen.The invention relates to a method for closing an opening of a turbine blade and a particularly suitable plug.

Bekanntermaßen werden Teile von Turbinenschaufeln oder auch komplette Turbinenschaufeln, die insbesondere bei Flugzeug-Gasturbinen und bei stationären Gasturbinen zum Einsatz gelangen, durch ein Gießverfahren hergestellt. Da die Turbinenschaufeln im Betrieb vergleichsweise hohen Temperaturen dauerhaft Stand halten müssen, können diese kühlbar und somit hohl ausgestaltet sein. Während des Betriebes einer Gasturbine kann dann im Inneren der kühlbaren Turbinenschaufel ein Kühlmedium, beispielsweise Kühlluft oder Kühldampf, strömen, um die von außen in das Schaufelmaterial eingeleitete Wärmeenergie wieder auszuleiten und abzuführen. Zum Herstellen der Hohlräume sind somit Gusskerne benötigt, die in einer Gießvorrichtung positioniert werden müssen, mit welcher die Turbinenschaufel gegossen werden kann. Bekanntermaßen werden bisher die Gusskerne durch so genannte Quarz-Stifte positioniert. Diese Stifte hinterlassen jedoch in der gegossenen Turbinenschaufel Öffnungen, welche prinzipiell unerwünscht sind. Um derartige Kernhalteöffnungen zu schließen, ist es beispielsweise aus der EP 1 228 293 B1 bekannt, in diese Löcher einen Stopfen einzusetzen und diesen mit der Turbinenschaufel zu verschweißen.As is known, parts of turbine blades or else complete turbine blades, which are used in particular in aircraft gas turbines and in stationary gas turbines, are produced by a casting process. Since the turbine blades during operation must withstand relatively high temperatures permanently, they can be cooled and thus hollow designed. During the operation of a gas turbine, a cooling medium, for example cooling air or cooling steam, can then flow inside the coolable turbine blade in order to discharge and dissipate the heat energy introduced from the outside into the blade material. To produce the cavities thus casting cores are needed, which must be positioned in a casting device, with which the turbine blade can be cast. As is known, the casting cores have previously been positioned by so-called quartz pins. However, these pins leave openings in the cast turbine blade, which are in principle undesirable. To close such Kernhalteöffnungen, it is for example from the EP 1 228 293 B1 known to insert a plug in these holes and to weld this with the turbine blade.

Das Schweißen des Stopfens hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, da mit dem Schweißverfahren in der Turbinenschaufel Risse induziert werden können, die Integrität bei steigender Benutzungsdauer gefährden können. Weiter ist von Nachteil, dass das Schweißgut meistens ein anderes Material ist als das Material der Turbinenschaufel. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnen sich einige Bestandteile bei Wärmeeintrag mehr aus als der Grundwerkstoff der Turbinenschaufel, was Rissentstehung und Risswachstum in der Turbinenschaufel begünstigt.Welding of the plug, however, has been found to be disadvantageous because the welding process can induce cracks in the turbine blade that can endanger integrity as the service life increases. Another disadvantage is that the weld metal is usually a different material than the material of the turbine blade. Due to different Thermal expansion coefficients expand some components when heat input more than the base material of the turbine blade, which favors cracking and crack growth in the turbine blade.

Weiter ist aus der US 6,454,156 B1 bekannt, derartige Stopfen noch vor dem Festschweißen in der Turbinenschaufel zu verschrauben.Next is from the US Pat. No. 6,454,156 B1 It is known to screw such plugs in the turbine blade before they are firmly welded.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines in der Handhabung einfachen und zuverlässigen Verfahrens zum Herstellen einer lebensdauerverlängerten Turbinenschaufel. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung einen dafür besonders geeigneten Stopfen anzugeben.The object of the invention is to provide a simple and reliable in handling method for producing a service life-prolonged turbine blade. It is another object of the invention to provide a particularly suitable plug.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf den Stopfen gerichtete Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.The object directed to the method is achieved with the features of claim 1. The task directed to the plug is achieved by the entirety of the features of claim 6.

Beiden Lösungen ist gemein, dass der in die Öffnung eingesetzte und darin verklebte Stopfen anfänglich Teil eines Werkstücks ist, dessen anderer Teil nach dem Einsetzen einfach abgetrennt werden kann.Both solutions have in common that the plug inserted into the opening and glued into it is initially part of a workpiece whose other part can be easily separated after insertion.

Mithin sieht das Verfahren zum Verschließen einer Öffnung in einer gegossenen Turbinenschaufel vor, zuerst einen Grundkörper der Turbinenschaufel bzw. die Turbinenschaufel selber herzustellen. Die zu verschließende Öffnung kann dabei eine Kernhalteöffnung sein. Sie kann aber auch eine entweder als Durchgangsloch oder als Sackloch ausgeführte Öffnung sein, die im Rahmen einer Reparatur einer (betriebsbeanspruchten) Turbinenschaufel in den Grundkörper der Turbinenschaufel bzw. in die Turbinenschaufel eingebracht wurde, beispielsweise um einen Riss auszubohren. Danach kann in die Öffnung ein Gewinde eingebracht werden, vorzugsweise durch Erodieren.Thus, the method of closing an opening in a cast turbine blade is to first make a main body of the turbine blade or the turbine blade itself. The opening to be closed can be a core holding opening. However, it can also be an opening made either as a through hole or as a blind hole, which was introduced as part of a repair of a (operationally required) turbine blade in the main body of the turbine blade or in the turbine blade, for example, to drill a crack. Thereafter, a thread can be introduced into the opening, preferably by erosion.

Vor dem Einsetzen des Stopfens in die Öffnung werden entweder der Stopfen und/oder die Wände der Öffnung mit dem zumeist pastenförmigen Klebstoff bestrichen.Before inserting the plug into the opening, either the plug and / or the walls of the opening are coated with the mostly pasty adhesive.

Um nun einen sehr einfachen Einsetzvorgang des Stopfens in die Öffnung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass vor dessen Montage der Stopfen noch einen Halter - den Stopfenhalter - umfasst. Dazu sind Stopfen und Stopfenhalter als ein Werkstück einstückig und vorzugsweise durch Drehen hergestellt. Mit anderen Worten umfasst das Werkstück einen ersten Abschnitt, der später als Stopfen dient und einen zweiten Abschnitt, der als Halte- und Eindrehwerkzeug für den Stopfen dient. Zwischen Stopfen und Stopfenhalter ist eine Sollbruchstelle vorgesehen. Der Stopfen ist in seinen Abmaßen so ausgeführt, dass er zu den Abmaßen der Öffnung der Turbinenschaufel korrespondiert. Der besondere Vorteil liegt nun darin, dass der Stopfenhalter größer ist als der einzuschraubende Stopfen: der Stopfenhalter kann mithin einen größeren Durchmesser als der Stopfen aufweisen, beispielsweise eine Größe von ca. 1 cm, eine sinnvolle Länge des an sich zumeist zylindrischen Stopfenhalters beträgt zwischen 2 cm und 4 cm. Wegen des viel größeren Stopfenhalters lässt sich der daran vorerst noch befestigte Stopfen während des Einschraubvorgangs wesentlich besser Handhaben als derjenige Stopfen, der bisher eingeschraubt wurde. Dieser wies keinen Stopfenhalter auf und hatten zumeist einen Durchmesser von nicht mehr als 4 mm bei einer Stopfenlänge von maximal 4 mm, was selbst bei Vorhandensein eines Schlitzes oder eines Innensechskants zum Einschrauben des Stopfens eine zitterfreie und vorsichtige Handhabung zwingend erforderlich machte. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstücks mit Stopfen und Stopfenhalter ist einerseits die Handhabung von Eindrehwerkzeug - dem Stopfenhalter - und Stopfen wesentlich vereinfacht und insbesondere durch die anfängliche monolithische Ausgestaltung von Stopfen und Stopfenhalter ist ein Verlust des Stopfens noch vor dem Einsetzen sicher vermieden.In order to enable a very simple insertion of the plug into the opening, it is provided that prior to its installation, the plug still a holder - the stopper holder - includes. For this purpose, plug and stopper holder as a workpiece in one piece and preferably made by turning. In other words, the workpiece comprises a first portion which later serves as a plug and a second portion which serves as a holding and screwing tool for the plug. Between stopper and stopper holder a predetermined breaking point is provided. The plug is sized to correspond to the dimensions of the opening of the turbine blade. The particular advantage lies in the fact that the stopper holder is larger than the stopper to be screwed in: the stopper holder can therefore have a larger diameter than the stopper, for example a size of about 1 cm, a reasonable length of the usually cylindrical stopper holder is between 2 cm and 4 cm. Because of the much larger stopper holder, the stopper, which is still attached at the time, can be handled much better during the screwing process than the stopper that was previously screwed in. This had no stopper holder and had mostly a diameter of not more than 4 mm with a maximum stopper length of 4 mm, which made a jitter-free and careful handling even in the presence of a slot or a hexagon socket for screwing the plug mandatory. By using the workpiece according to the invention with stopper and stopper holder on the one hand the handling of screwing - the stopper holder - and plug is much easier and in particular by the initial monolithic design of plug and stopper loss of the plug is still avoided before insertion.

Da zwischen Stopfen und Stopfenhalter eine Sollbruchstelle angeordnet ist, kann nach dem Einsetzen des Stopfens in die Öffnung der Turbinenschaufel der Stopfenhalter ohne weiteres abgetrennt oder abgebrochen werden, so dass allein der Stopfen in der Wand der gegossenen Turbinenschaufel verbleibt.Since a predetermined breaking point is disposed between the plug and the plug holder, after insertion of the plug into the opening of the turbine blade, the plug holder can be readily separated or broken off so that the plug alone remains in the wall of the cast turbine blade.

Vorzugsweise ist die Sollbruchstelle so zu fertigen, dass deren tragende Querschnittsfläche groß genug ist, um das Einschrauben des Stopfens zu ermöglichen. Andererseits muss die tragende Querschnittsfläche klein genug sein, um den Stopfenhalter von Hand abbrechen zu können.Preferably, the predetermined breaking point is to be made so that its supporting cross-sectional area is large enough to allow the screwing of the plug. On the other hand, the supporting cross-sectional area must be small enough to be able to break off the stopper holder by hand.

Falls erforderlich kann der Stopfen während des Aushärtens temporär in der Öffnung fixiert werden. Nach dem Aushärten des keramischen Klebstoffs sitzt der Stopfen stoffschlüssig in der Öffnung, wobei jedoch ein Stoffschluss zwischen Stopfen und derjenigen Wand, in der die Öffnung angeordnet ist, vermieden ist. Der Stoffschluss tritt lediglich einerseits zwischen Klebstoff und Stopfen und andererseits zwischen Klebstoff und Wand ein. Als Resultat ist also zwischen dem Stopfen und der Innenfläche der Öffnung, zumindest teilweise, vorzugweise vollständig, der keramische Klebstoff vorhanden.If necessary, the plug can be temporarily fixed in the opening during curing. After curing of the ceramic adhesive, the plug sits cohesively in the opening, but a material connection between the plug and the wall in which the opening is arranged, is avoided. The material interface occurs only on the one hand between the adhesive and plug and on the other hand between the adhesive and the wall. As a result, therefore, between the plug and the inner surface of the opening, at least partially, preferably completely, the ceramic adhesive is present.

Der Erfindung liegt auch die Erkenntnis zu Grunde, dass mittlerweile Klebstoffe auf keramischer Basis kommerziell verfügbar sind, die eine Temperaturbeständigkeit von 1500°C und mehr aufweisen, so dass diese keramischen Klebstoffe trotz ihrer Verwendung in einer Turbinenschaufel einer Gasturbine und den darin auftretenden hohen Heißgas-Temperaturen weder Degradieren noch ihre verbindende Eigenschaft verlieren. Ein Beispiel für einen solchen keramischen Klebstoff ist der Klebstoff mit dem Markennamen "Resbond 989" der Firma Polytec PT GmbH.The invention is also based on the finding that ceramic-based adhesives are now commercially available which have a temperature resistance of 1500 ° C. and more, so that these ceramic adhesives, despite their use in a turbine blade of a gas turbine and the high hot gas temperature occurring therein, Temperatures neither degrade nor lose their connecting property. An example of such a ceramic adhesive is the adhesive with the brand name "Resbond 989" from Polytec PT GmbH.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei die darin angegebenen Merkmale gemäß den Rückbeziehungen der Patentansprüche kombiniert werden können.Further advantages and features of the invention are set forth in the dependent claims, wherein the features specified therein can be combined according to the relationships of the claims.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sitzt der Stopfen formschlüssig in der Öffnung. Beispiele für eine formschlüssige Verbindung des Stopfens in der Öffnung sind eine Schraubverbindung und der Bajonettverschluss. Durch eine formschlüssige Verbindung kann der Stopfen grundlegend mit dem Grundkörper der Turbinenschaufel verbunden werden, wobei der keramische Klebstoff dann nur noch die Aufgabe besitzt, dass Lösen des Formschlusses zu verhindern. Wenn der Stopfen beispielsweise in der Öffnung verschraubt ist, dient der keramische Klebstoff als Verdrehsicherung. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Turbinenschaufel als Laufschaufel ausgebildet ist und die zu verschließende Öffnung an der Schaufelspitze stirnseitig am Schaufelblatt angeordnet ist. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Turbinenschaufel wirken dann auf den Stopfen Fliehkräfte, die mit der Längsachse der Öffnung gleich gerichtet sind. In diesem Fall werden dann die auf den Stopfen wirkenden Fliehkräfte über den Formschluss in den Grundkörper der Turbinenschaufel übertragen, weswegen der Klebstoff dann wesentlich geringeren Scherkräfte standhalten muss als bei derjenigen Lösung, bei der der Stopfen rein zylindrisch mit einer glatten Oberfläche ausgestaltet ist und die Wand der Öffnung dementsprechend ebenso. Der Formschluss gewährleistet einen besonders sicheren Sitz des Stopfens.According to a first advantageous embodiment, the plug sits positively in the opening. Examples of a positive connection of the plug in the opening are a screw connection and the bayonet lock. By a positive connection, the plug can be fundamentally connected to the main body of the turbine blade, the ceramic adhesive then has only the task of preventing the release of the positive connection. For example, if the plug is bolted in the opening, the ceramic adhesive serves as a security against rotation. This is particularly advantageous when the turbine blade is designed as a blade and the opening to be closed at the blade tip is arranged on the front side of the blade. During normal operation of the turbine blade then act on the plug centrifugal forces, which are the same direction with the longitudinal axis of the opening. In this case, the forces acting on the plug centrifugal forces are transmitted via the positive connection in the main body of the turbine blade, which is why the adhesive then withstand much lower shear forces than in that solution in which the plug is designed purely cylindrical with a smooth surface and the wall the opening accordingly as well. The positive connection ensures a particularly secure fit of the plug.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Formschluss als zylindrische oder konische Verschraubung ausgebildet sein. Der Vorteil der konischen Verschraubung liegt darin, dass maximal eine Umdrehung erforderlich ist, um den Stopfen in der Öffnung zu befestigen. Vorzugsweise werden die zur Herstellung der Verschraubung erforderlichen Gewinde in die Öffnung und am Stopfen erodiert. Das Erodieren stellt ein Prozess dar, der nur minimal Risse in den Grundwerkstoff einbringt.According to a further advantageous embodiment, the positive connection may be formed as a cylindrical or conical screw. The advantage of the conical screw connection is that a maximum of one revolution is required to secure the plug in the opening. Preferably, the threads required to make the fitting are eroded into the aperture and the plug. Eroding is a process that only minimally introduces cracks in the base material.

Besonders bevorzugt ist des Weiteren die Ausgestaltung, bei der der Stopfen aus dem gleichen Material besteht wie die Turbinenschaufel bzw. wie der Grundkörper der Turbinenschaufel, in dem das zu verschließende Loch angeordnet ist. Ein Stopfen, der aus dem gleichen Grundwerkstoff besteht wie der Grundkörper der Turbinenschaufel, dehnt sich thermisch genauso aus wie das ihn umgebende Material des Grundkörpers, so dass diese Lösung selbst während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Turbinenschaufel spannungsarm ist, da trotz der Aufheizung der Turbinenschaufel keine Druckspannung im den Stopfen umgebenden Material erzeugt werden.Furthermore, the embodiment in which the stopper is made of the same material as the stopper is particularly preferred Turbine blade or as the main body of the turbine blade, in which the hole to be closed is arranged. A plug, which consists of the same base material as the main body of the turbine blade, thermally expands as the surrounding material of the body, so that this solution is stress-free even during the intended use of the turbine blade, because despite the heating of the turbine blade no compressive stress produced in the material surrounding the plug.

Weiter bevorzugt wird nach dem Einsetzen des Stopfens und Abbrechen des Stopfenhalters die die verschlossene Öffnung aufweisende Wand und auch der darin sitzende Stopfen flächig beschichtet. Durch das Überbeschichten der verschlossenen Öffnung können sowohl die Nahtstelle von Wand und Stopfen als auch der Klebstoff einerseits vor weiteren Einflüssen wie Korrosion oder Wärmeeintrag von außen und/oder innen weitestgehend geschützt werden. Zudem stellt die Beschichtung eine weitere Sicherung des Stopfens gegen Lösen dar. Dies gilt insbesondere für verschraubte Stopfen. Als Beschichtung kann beispielsweise eine Korrosionsschutzschicht verwendet werden, die hinlänglich auch als MCrAlY-Beschichtung bekannt ist oder auch eine Alitierung, die häufig im Inneren der Turbinenschaufel aufgebracht ist.More preferably, after insertion of the stopper and breaking off of the stopper holder, the wall having the closed opening and also the stopper seated therein are coated in a planar manner. By over-coating the closed opening both the seam of the wall and plug and the adhesive on the one hand on the one hand from further influences such as corrosion or heat input from the outside and / or inside can be largely protected. In addition, the coating represents a further protection of the plug against loosening. This is especially true for screwed plugs. As a coating, for example, a corrosion protection layer can be used, which is well known as MCrAlY coating or even Alitierung, which is often applied inside the turbine blade.

Insgesamt betrifft die Erfindung ein Herstell-Verfahren zum Verschließen einer Öffnung in einer gegossenen Turbinenschaufel. Um eine vergleichsweise langlebige Turbinenschaufel anzugeben, deren Spannung im Bereich der verschlossenen Öffnung minimiert sind und die zudem vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass ein Werkstück anfänglich den Stopfen und einen Stopfenhalter mit dazwischen angeordneter Sollbruchstelle umfasst, wobei besagter Stopfenhalter nach dem Einsetzen des Stopfens in die Öffnung der Turbinenschaufel vom Stopfen getrennt wird.Overall, the invention relates to a manufacturing method for closing an opening in a cast turbine blade. In order to provide a comparatively long-lived turbine blade, the voltage in the region of the closed opening are minimized and which is also comparatively easy and inexpensive to produce, it is proposed that a workpiece initially comprises the plug and a stopper holder with interposed predetermined breaking point, said stopper holder after insertion of the plug into the opening of the turbine blade is separated from the stopper.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand weiterer Ausführungsbeispiele näher erläutert.Further advantages and features of the invention will be explained in more detail with reference to further embodiments.

Es zeigen:

Fig. 1
einen Längsschnitt durch einen Fußbereich einer Turbinenschaufel mit einem Stopfen,
Fig. 2
einen Längsschnitt durch einen Spitzenbereich einer Turbinenschaufel mit einem Stopfen,
Fig. 3
einen Längsschnitt durch den Spitzenbereich einer Turbinenschaufel mit einem alternativen Stopfen und
Fig. 4
eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Werkstück umfassend eine Stopfen und einen Stopfenhalter.
Show it:
Fig. 1
a longitudinal section through a root portion of a turbine blade with a plug,
Fig. 2
a longitudinal section through a tip portion of a turbine blade with a plug,
Fig. 3
a longitudinal section through the tip portion of a turbine blade with an alternative stopper and
Fig. 4
a plan view of a workpiece according to the invention comprising a plug and a stopper holder.

In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In all figures, identical features are provided with the same reference numerals.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Fußbereich und einen Teil eines Kanalsystems 5 einer luftgekühlten Turbinenschaufel 1. Das Kanalsystem 5 befindet sich im Wesentlichen im Schaufelblattbereich 3 der Turbinenschaufel 1. Es weist eine Eintrittsöffnung 22 am Fußbereich 2 am Beginn des Strömungsweges 6 der Kühlluft auf, durch die Kühlluft in das Kanalsystem 5 eingeführt wird sowie Austrittsöffnungen 8 im Abströmbereich 21 der Turbinenschaufel 1, durch die die Kühlluft am Ende seines Strömungsweges 6 das Kanalsystem 5 verlässt. Die Kühlluft wird auf seinem Strömungsweg 6 mäanderförmig in den Kanälen 12, die durch Zwischenwände 24 voneinander getrennt sind mehrfach vom Fußbereich zum nicht dargestellten Kopfbereich und wiederum zum Fußbereich geleitet. FIG. 1 shows a longitudinal section through a foot portion and a part of a channel system 5 of an air-cooled turbine blade 1. The channel system 5 is located substantially in the airfoil portion 3 of the turbine blade 1. It has an inlet opening 22 at the foot region 2 at the beginning of the flow path 6 of the cooling air through which Cooling air is introduced into the channel system 5 and outlet openings 8 in the outflow region 21 of the turbine blade 1 through which the cooling air leaves the channel system 5 at the end of its flow path 6. The cooling air is routed on its flow path 6 meandering in the channels 12, which are separated from each other by intermediate walls 24 from the foot area to the head area, not shown, and in turn to the foot area.

Die Kanäle 12 sind untereinander durch Umkehrstellen 13, die an den Fußbereich 2 oder den Kopfbereich angrenzen, verbunden. Im hinteren Bereich des Strömungswegs 6 den Austrittsöffnungen 8 vorgeordnet befindet sich eine Öffnung 10, die aufgrund der Herstellung der gegossenen Turbinenschaufel 1 erforderlich ist. In der Öffnung 10 ist ein Stopfen 20 eingesetzt, wodurch die Öffnung 10 luftdicht verschlossen ist. Während des Gusses befanden sich an der Stelle der Öffnung 10 einer der Quarz-Stifte, die den Gusskern relativ zur Gießvorrichtung festsetzen und dabei sicherstellen, dass vorbestimmte Bemaßungen eingehalten werden. Der Stopfen 20 ist korrespondierend zur Öffnung 10 gestuft zylindrisch ausgebildet und in der Öffnung 10 allein mit Hilfe eines keramischen, hochtemperaturbeständigen Klebstoffs befestigt.The channels 12 are interconnected by reversal points 13 adjacent to the foot region 2 or the head region. Located upstream of the outlet openings 8 in the rear region of the flow path 6 is an opening 10 which is required due to the production of the cast turbine blade 1. In the opening 10, a plug 20 is inserted, whereby the opening 10 is hermetically sealed. During the casting, at the location of the opening 10, one of the quartz pins was located, securing the casting core relative to the casting apparatus, ensuring that predetermined dimensions are maintained. The plug 20 is stepped cylindrically shaped corresponding to the opening 10 and fixed in the opening 10 solely by means of a ceramic, high temperature resistant adhesive.

In den Figuren 2 und 3 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen der Stopfen 20 in der Öffnung 10 besonders zuverlässig sitzt.In the FIGS. 2 and 3 Further embodiments are shown in which the plug 20 is particularly reliable in the opening 10.

Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils im Längsschnitt lediglich schematisch die radial (in Bezug auf die Maschinenachse einer nicht dargestellten Gasturbine) weiter außen angeordnete Wand 15 des Schaufelblatts einer als Laufschaufel ausgestalteten Turbinenschaufel 1. Die Wand 15 wird auch als Kronenboden bezeichnet. Der in Figur 2 oberhalb der Wand 15 dargestellte Bereich 23 liegt außerhalb der Turbinenschaufel 1, wohingegen der in Figur 2 unterhalb der Wand 15 dargestellte Bereich 25 innerhalb der Turbinenschaufel 1 liegt und somit Teil desjenigen Hohlraums ist, der im Betrieb von Kühlluft durchströmbar ist. In der Wand 15 ist die Öffnung 10 angeordnet, welche die Wand 15 komplett durchdringt. In der Öffnung 10 sitzt der Stopfen 20, der die Öffnung 10 vollständig verschließt. Der Stopfen 20 ist, wie in Figur 2 dargestellt, konisch ausgestaltet, was der Kontur der Öffnung 10 gemäß Figur 2 entspricht. Der Stopfen 20 verschließt die Öffnung 10 vollständig auch über die komplette axiale Erstreckung der Längsachse 27 der Öffnung 10, was jedoch in keiner Ausgestaltung zwingend erforderlich ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist an der Innenfläche der Öffnung 10 ein Innengewinde vorgesehen. Korrespondierend dazu ist an der mantelseitigen Außenfläche des Stopfens 20 ein Außengewinde vorgesehen, so dass der Stopfen 20 in der Öffnung 10 verschraubt ist. Zwischen den beiden Gewinden ist der hochtemperaturbeständige keramische Klebstoff als Verdrehsicherung vorhanden. Dieser Klebstoff wird vor dem Einschrauben des Stopfens 20 in der Öffnung 10 entweder auf das Gewinde des Stopfens 20 und/oder auf dem Gewinde der Öffnung 10 zumeist großflächig aufgebracht.The FIGS. 2 and 3 each show in longitudinal section only schematically the radially outwardly (with respect to the machine axis of a gas turbine, not shown) further outwardly disposed wall 15 of the blade of a blade designed as a blade turbine blade 1. The wall 15 is also referred to as the crown bottom. The in FIG. 2 above the wall 15 shown region 23 is located outside the turbine blade 1, whereas the in FIG. 2 Below the wall 15 shown region 25 is located within the turbine blade 1 and thus part of that cavity, which is flowed through during operation of cooling air. In the wall 15, the opening 10 is arranged, which penetrates the wall 15 completely. In the opening 10 sits the plug 20 which completely closes the opening 10. The plug 20 is as in FIG. 2 shown, conically shaped, which corresponds to the contour of the opening 10 FIG. 2 equivalent. The plug 20 closes the opening 10 completely over the entire axial extent of the longitudinal axis 27 of the opening 10, which is absolutely necessary in any embodiment. In the embodiment shown, an internal thread is provided on the inner surface of the opening 10. Corresponding thereto, an outer thread is provided on the shell-side outer surface of the plug 20, so that the plug 20 is screwed into the opening 10. Between the two threads of the high temperature resistant ceramic adhesive is present as anti-rotation. This adhesive is before screwing the plug 20 in the opening 10 applied to either the thread of the plug 20 and / or on the thread of the opening 10 mostly a large area.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist von außen wie von innen jeweils eine Beschichtung 29, 31 vorgesehen. Beide Beschichtungen 29, 31 sind flächig auf der Wand 15 aufgebracht und überdecken vollständig den Stopfen 20 und dessen Nahtstelle mit der Wand 15. Die Beschichtung 29 könnte beispielsweise eine Korrosionsschutzschicht vom Typ MCrAlY sein. Darauf könnte des Weiteren eine keramische Wärmedämmschicht aufgetragen sein, die aber hier nicht gezeigt ist. Die innen angeordnete Beschichtung 31 könnte eine Alitierung sein.In the embodiment shown, a coating 29, 31 is provided from the outside as well as from the inside. Both coatings 29, 31 are applied flat on the wall 15 and completely cover the plug 20 and its interface with the wall 15. The coating 29 could be, for example, a corrosion protection layer of the MCrAlY type. This could further be applied to a ceramic thermal barrier coating, but which is not shown here. The interior coating 31 could be an alitization.

Figur 3 zeigt ein zu Figur 2 alternatives Ausführungsbeispiel, wobei nachfolgend lediglich die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 erläutert werden. Anstelle einer konischen Verschraubung 19 ist eine zylindrische Verschraubung 19 vorgesehen, d.h. sowohl der Stopfen 20 als auch die Öffnung 10 sind in ihrer Längserstreckung im Wesentlichen zylindrisch, abgesehen von den Gewinden. FIG. 3 indicates one FIG. 2 alternative embodiment, wherein hereinafter only the differences from the embodiment according to FIG. 2 be explained. Instead of a conical screw connection 19, a cylindrical screw connection 19 is provided, ie both the plug 20 and the opening 10 are substantially cylindrical in their longitudinal extent, apart from the threads.

Figur 4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel das einstückige, im Wesentlichen zylindrische Werkstück 18 umfassend einen Stopfen 20 und einen Stopfenhalter 26, wobei an der Stelle mit der geringsten Querschnittsfläche eine Sollbruchstelle 28 vorgesehen ist, an der der Stopfenhalter 26 nach dem Einsetzen bzw. Eindrehen des Stopfens 20 in die Öffnung 10 der Turbinenschaufel 1 abgebrochen werden kann. In der Regel weist die Sollbruchstelle einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von nicht mehr als 3 mm auf. FIG. 4 In one embodiment, the one-piece, substantially cylindrical workpiece 18 includes a plug 20 and a plug holder 26, wherein at the location with the smallest cross-sectional area a predetermined breaking point 28 is provided at the stopper holder 26 after insertion or screwing of the plug 20 in the opening 10 of the turbine blade 1 can be broken off. As a rule, the predetermined breaking point has a circular cross section with a diameter of not more than 3 mm.

Der dargestellte Stopfen 20 weist zudem ein Außengewinde 30 zum Einschrauben in eine Gewindeöffnung auf.The illustrated plug 20 also has an external thread 30 for screwing into a threaded opening.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere lassen sich die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele miteinander kombinieren.Although the invention has been further illustrated and described in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. In particular, the features of different embodiments can be combined.

Claims (6)

Verfahren zum Verschließen einer Öffnung (10) in einer gegossenen Turbinenschaufel (1),
umfassend die Schritte: - Herstellen eines Grundkörpers einer Turbinenschaufel (1) mit einer Öffnung (10), - Herstellen eines Werkstücks (18) umfassend einen Stopfen (20), einen Stopfenhalter (26) und eine zwischen dem Stopfen (20) und dem Stopfenhalter (26) angeordnete Sollbruchstelle (28), - Aufbringen des Klebstoffs auf dem Stopfen (20) und/oder auf die Seitenwände der Öffnung (10), - Einsetzen des Stopfens (20) in die Öffnung (10) und - Abbrechen des Stopfenhalters (26) vom Stopfen (20). Method for closing an opening (10) in a cast turbine blade (1),
comprising the steps: Producing a base body of a turbine blade (1) with an opening (10), - producing a workpiece (18) comprising a plug (20), a plug holder (26) and a between the plug (20) and the plug holder (26) arranged predetermined breaking point (28), Applying the adhesive to the plug (20) and / or to the side walls of the opening (10), - Inserting the plug (20) in the opening (10) and - Cancel the stopper holder (26) from the plug (20). Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem vor dem Einsetzen ein Gewinde in die Öffnung (10) erodiert und ein Gewinde auf den Stopfen (20) geschnitten wird.Method according to claim 1,
wherein a thread is eroded into the opening (10) prior to insertion and a thread is cut on the plug (20). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem zum Einkleben ein hochtemperaturbeständiger keramischer Klebstoff verwendet wird.Method according to claim 1 or 2,
in which a high temperature resistant ceramic adhesive is used for bonding. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die die verschlossene Öffnung (10) aufweisende Wand (15) beschichtet wird.Method according to one of claims 1 to 3,
in which the wall (15) having the closed opening (10) is coated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der Stopfen (20) samt Stopfenhalter (26) durch Drehen hergestellt wird.Method according to one of claims 1 to 4,
in which the stopper (20) together with the stopper holder (26) is produced by turning. Metallisches Werkstück (18) umfassend einen Stopfen (20), einen Stopfenhalter (26) und mit einer dazwischen angeordneten Sollbruchstelle (28) zum Abbrechen des Stopfenhalters (26) vom Stopfen (20).A metallic workpiece (18) comprising a plug (20), a plug holder (26) and having a predetermined breaking point (28) therebetween for breaking the plug holder (26) from the plug (20).
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