WO2000019065A1 - Gasturbinenlaufschaufel und verfahren zur herstellung einer gasturbinenlaufschaufel - Google Patents

Gasturbinenlaufschaufel und verfahren zur herstellung einer gasturbinenlaufschaufel Download PDF

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WO2000019065A1
WO2000019065A1 PCT/DE1999/002989 DE9902989W WO0019065A1 WO 2000019065 A1 WO2000019065 A1 WO 2000019065A1 DE 9902989 W DE9902989 W DE 9902989W WO 0019065 A1 WO0019065 A1 WO 0019065A1
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WO
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gas turbine
locking pin
openings
turbine blade
foot
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Application number
PCT/DE1999/002989
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Tiemann
Ronald Rudolph
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Ott, Michael
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C21/00—Flasks; Accessories therefor
    • B22C21/12—Accessories
    • B22C21/14—Accessories for reinforcing or securing moulding materials or cores, e.g. gaggers, chaplets, pins, bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/103—Multipart cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D31/00—Cutting-off surplus material, e.g. gates; Cleaning and working on castings
    • B22D31/002—Cleaning, working on castings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting

Definitions

  • the invention relates to a cast gas turbine blade and a method for producing a gas turbine blade by means of casting.
  • the highest possible working gas temperature is required to achieve high efficiency.
  • the blades of the gas turbine which are heavily loaded by high or changing temperatures, pressures and centrifugal forces, are hollow metal bodies, the cavities of which are flowed through by coolant.
  • a coolant flow runs from the base of the gas turbine blade, with which it is attached to an impeller, through an inner cavity with meandering air guiding chambers to outlet openings in the wing region or in the tip region of the gas turbine blade and forms a cooling film on the outer wall of the gas turbine blade.
  • the impeller with the gas turbine blades used is arranged within the gas turbine in such a way that the envelope of the tips of the gas turbine blades runs as close as possible to the inner circumference of a circumferential, static guide ring.
  • the gas turbine rotor blade is not damaged and the radially outer tip area is adequately cooled.
  • the tip-side outer wall of the gas turbine rotor blade is therefore surrounded by protruding edge webs, the brushing edges.
  • This contact edge region is cooled by means of a coolant flow which flows from the inner cavities through through openings in the end wall on the contact edge into the contact edge region and is conducted out there again through openings in the contact edges, as disclosed in US Pat. No. 4,761,116.
  • a coolant flow which flows from the inner cavities through through openings in the end wall on the contact edge into the contact edge region and is conducted out there again through openings in the contact edges, as disclosed in US Pat. No. 4,761,116.
  • a casting process Due to the complex structure of the contact edge area, special requirements must be placed on a casting process for producing a gas turbine rotor blade.
  • a core forming a cavity is surrounded by a wax jacket, which has continuous locking pins made of heat-resistant material.
  • This structure is then immersed several times in a ceramic slurry and heated. The ceramic slurry hardens and the wax coat is then melted off. The actual casting material is poured into the still warm mold.
  • the thickness of the casting at one point correspond
  • Gas turbine material come. There is also an increased risk of detachment of an inserted part during operation of the gas turbine blade. This is avoided by building up the contact edge area with the wing area of the gas turbine rotor blade in one piece.
  • a gas turbine rotor blade with internal cooling and through openings for cooling the contact edge area with a one-piece construction is known from EP 0 340 149 B1 and US Pat. No. 4,761,116.
  • the production of such a gas turbine rotor blade places increased demands on the structure of the molds and in particular the core of the mold.
  • the thickness of the end wall on the contact edge side between the cavity and the contact edge region must be made with close tolerances.
  • the core part of the cavity system is rigidly connected to the core part of the contact edge area and both in this way during the casting process at a fixed, constant distance kept apart.
  • This connection is made by locking pins that are anchored in both core parts. These locking pins are subjected to a great deal of stress during the casting process, as a result of which they break easily. If the locking pins break, the required tolerances cannot be met and the casting is rejected.
  • the object of the present invention is therefore to provide a gas turbine rotor blade which can be produced with a small scrap and largely avoiding casting errors and maintaining the tolerances during casting, and in which irrespective of the manufacturing conditions during the casting process, a predetermined coolant leakage must be set permanently even under operating conditions and without damage to the casting material.
  • Another object is to specify a method with which a gas turbine rotor blade can be produced.
  • the object directed to the gas turbine blade is achieved by a cast gas turbine blade through which coolant flows, according to claim 1.
  • the leakage can be individually adjusted to the cooling requirements of different types of gas turbine blades. This is done only by changing the size and number of uncovered through openings.
  • the material of the gas turbine rotor blade is not damaged during the application process of the locking pin or during the later working phase.
  • the gas turbine blade is not attacked by the effects of high temperatures or severe deformations.
  • the rivet-like locking pin offers great strength. Covering the through opening with the head of the locking pin creates a rear grip which can only be released by tearing off the head. This ensures a permanent hold during loading due to high or changing temperatures, pressures and centrifugal forces with the gas turbine running.
  • the shape of the locking pin and its diameter can be adapted to any through openings required for casting.
  • the dimensions of the locking pin can be selected so that it fits snugly in the through opening or with play. The game can be adjusted so that the surrounding material of the gas turbine blade is not burdened and deformed by forces due to the thermal expansion of the locking pin even at high temperatures.
  • the locking pin can be used both non-releasably and releasably.
  • a through opening for example for use as an inspection or cleaning opening, can be uncovered again without the gas turbine material being damaged.
  • a non-detachable locking pin offers a permanent hold even at high and changing temperatures and attacking forces.
  • Both types of closure can also be used in combination on a gas turbine blade. The leakage rate can thus be adapted to changing requirements, for example an increase in the operating temperature of the gas turbine or the pressure of the coolant.
  • the rigid and true-to-size connection of the core parts is ensured by means of sufficiently thick locking pins during the casting, thereby reducing rejects and, at the same time, an exact adjustment of the leakage by means of other locking pins is possible.
  • Wide through openings which are essentially due to the casting process, can simply be closed by the locking pin, while narrower through openings can preferably be used for the flow of the coolant.
  • the narrower through openings can be dimensioned practically without restriction due to stability requirements on the core, while wide through openings give the stability of the core during the casting process.
  • Through openings with different clear widths also make it possible to optimize the leakage flow of the coolant in such a way that various of the through openings are left open or closed by the locking pins used in the test stage, and in this way the leakage can be optimized.
  • the head of the locking pin is arranged in the cavity of the gas turbine blade and the foot of the locking pin on the outside of the gas turbine blade, a good seal against undesired coolant flow is obtained. Due to the occurrence of centrifugal forces during the operation of the gas turbine, the through opening is pressed by pressing the head of the locking pin used the inside of the end wall of the gas turbine blade is well sealed.
  • the centrifugal forces, the holding forces and the contact pressure create a pressure on the material surrounding a passage opening.
  • the pressure exerted by the locking pin on the gas turbine material is distributed over an annular surface around the passage opening. On the one hand, this means that there are no local pressure increases and, on the other hand, an improved seal against undesired leakage of the coolant.
  • the base of the locking pin is preferably permanently attached to the outside of the gas turbine rotor blade.
  • the locking pin cannot loosen or fall out, neither at the high operating temperatures and high operating loads nor when the gas turbine blade is stopped or as soon as sufficient centrifugal forces no longer act on the locking pin.
  • a non-detachable fastening according to the invention can be produced using conventional, inexpensive joining techniques, for example by melting, welding or by soldering with positive locking, force locking or friction locking.
  • the locking pin foot is preferably spread out on the outside of the gas turbine rotor blade and is anchored to the spread-apart sections. In this way, the locking pin is held captively and permanently in the through opening. Even when exposed to changing temperatures, there is no fear of the locking pin becoming loose.
  • the attachment is therefore low-maintenance.
  • the pin is fastened, the gas turbine rotor blade is not exposed to locally elevated temperatures which can lead to damage to the microstructure.
  • a locking For this type of attachment for example, the pin is slit and squeezed after insertion until a rivet-like expansion is achieved. The resulting positive connection has a rear grip on both sides of the end wall. Standard components can be used for this.
  • the casting material of the gas turbine rotor blade is not subjected to any heat in this type of attachment.
  • An indissolubly firm anchoring which can be produced without mechanical effects on the gas turbine material, is present if the base of the locking pin radially on the outside of the outside of the gas turbine rotor blade projects beyond the clear width of the through opening with a melting bead created by heating to above the melting temperature and is thereby anchored.
  • the locking pin is practically heated exclusively. There is only a small amount of heat transfer to the gas turbine material, since the thermal coupling between the two is only slight. This is based on the locally limited, small contact zone in the case of a radial clearance fit of the locking pin in the through opening, the remaining locations between the through opening and locking pin having an air gap.
  • the surface of the base of the locking pin is rounded off by the proposed melting. It can be in one less dirt particles. It is also possible to heat the foot only in the vicinity of the melting temperature and then to deform it warm and thereby to obtain a widening of the foot beyond the clear width of the through opening.
  • the base of the locking pin is preferably provided with a thread and the head of the locking pin on the outside of the gas turbine rotor blade is countered by a nut screwed onto the thread.
  • a connection can be provided both releasably and non-releasably.
  • the locking pin can also be secured with an outside pin lock.
  • a detachable locking pin makes it possible to use the through opening as an inspection or cleaning opening after removing the locking pin. In this way, damage to the interior of the gas turbine blade, for example by means of endoscopic methods, can be detected and remedied without additional through openings. Also, after removing the locking pins, large amounts of air can flow briefly through the previously closed large through openings and through the meandering air guiding chambers, and in this way accumulated dirt can be removed from the interior of the gas turbine rotor blade.
  • the locking pin base and nut can also be heated or grained so that an inseparable connection is created.
  • the surrounding gas turbine material is not damaged by the effects of heat or mechanical stress.
  • a locking pin made of a highly heat-resistant material, for example a nickel-based material, can also be permanently secured in this way. Locking pins made from the material of the gas turbine rotor blade are generally preferred. In this way there are no undesirable stresses caused by different thermal expansion only insignificant diffusion processes occur.
  • the locking pin is preferably fitted into the through-openings caused by the casting process in such a way that it sits stress-free therein under the working conditions of the gas turbine rotor blade. Elevated temperatures, such as those found in the working conditions of the gas turbine, lead to a material-specific expansion, the large one
  • H7 / h7 and H7 / f7 can be selected.
  • the shape of the locking pin ensures a good seal against an unwanted leakage flow of the coolant even with a playful adjustment, because the head of the locking pin can be selected so that it covers the clear width of the through opening under any condition. Even if the head is inaccurately seated, there is sufficient sealing due to a narrow joint between the shaft of the locking pin and the inner circumference of the through opening, because this offers a high flow resistance.
  • the locking pins have a diameter of 3 to 6 mm. These diameters enable a good seal in the through openings which are produced by the casting process of commercially available gas turbine rotor blades.
  • the locking pins can be used for each gas turbine blade opening for various types of gas turbines. Locking pins in the range of 1 to 2 mm can also be used.
  • the object directed to a method for producing a gas turbine rotor blade by casting is achieved according to the invention solved by a method according to claim 10.
  • the securing pin can be brought forward through the coolant cavity to the through opening with the foot first, inserted with the shaft through the through opening and the locking pin can be fastened with its foot.
  • This method of closing the passage openings caused by the casting process does not require large-area, thermally and mechanically stressful joining methods. It is very gentle on the casting material of the gas turbine blade.
  • the selection of the locking pins for the casting process can be based solely on suitable dimensions, shape and material for a firm hold of the core parts during the casting process.
  • An optimized, predetermined coolant leakage can also be set independently of the casting process. This reduces the number of failed attempts and thus the scrap and lowers the manufacturing costs for the gas turbine blades.
  • a tolerance-compliant fit of the core parts can be guaranteed by using sufficiently large locking pins.
  • the large through openings created by these large locking pins are closed by locking pins.
  • Smaller locking pins can be chosen in size such that they are only determined by the requirements with regard to the leakage of coolant, because they are not required or are only required to a small extent to hold the core parts. To set the desired leakage, it is therefore not necessary to subsequently drill openings in the end wall region of the gas turbine rotor blade after the casting.
  • a large number of locking pins provide an even better hold for the core parts.
  • a hole can be made in the end wall in order to ensure a predetermined coolant leakage.
  • This process can be used in addition to and in addition to the casting process. It enables a subsequent correction of the leakage rate of the existing one or the installation of an additional leakage opening, which is difficult to produce, for example, with locking pins if, for example, a passage opening with a strong inclination to the front wall is required.
  • the locking pin inserted into the through opening is welded to the outside of the gas turbine rotor blade with its inserted foot. Even when the gas turbine is at a standstill or under alternating load conditions in which the direction and amount of the forces acting on the locking pin change, the seating of the locking pin is ensured. If only a small point of the locking pin foot is welded on, this can be done quickly. It is sufficient to weld a bead onto any part of the foot without making contact with the gas turbine material. A permanent hold of the locking pin is nevertheless given and the gas turbine blade is practically not thermally stressed.
  • An advantageous embodiment of a method for anchoring the locking pin is when the material of the foot is heated and the melting bead that arises projects beyond the clear width of the through opening and thus anchors the locking pin.
  • an energy source is focused on the base area of the locking pin and this is only melted locally to such an extent as to its melting temperature or flow temperature that the material is still held together by the surface tension.
  • the heat input into the surrounding gas turbine material is very low and does not damage the microstructure.
  • the melting bead that arises then towers above the light one Width of the through opening without being connected to it. This creates a permanent holding device for the locking pin at the base of the locking pin even at high operating temperatures and loads, for example by centrifugal forces.
  • the gas turbine material is not affected. Due to the smooth surface or the round shape of the area, less dirt collects at the end of the locking pin due to dirt particles carried along by the cooling air flowing past.
  • the directionally solidified casting material of the gas turbine blade is preferably not locally heated above the recrystallization temperature.
  • modern gas turbine rotor blades are preferably produced in a single-crystalline or directionally solidified form, because a polycrystalline material often has cracks and breaks along the grain boundaries. This is based, among other things, on on the preferred deposition of carbides or nitrides on the grain boundaries, which lead to embrittlement at these points and brittle fracture of the gas turbine blades.
  • a single-crystal structure or a directional solidification with grain boundaries parallel to the main direction of attack of the centrifugal forces on the gas turbine blade are not exposed to such a risk of embrittlement.
  • the material and structure-specific recrystallization temperature of the single-crystalline gas turbine rotor blades can easily be exceeded. Additional grain boundaries would form in directions that are unfavorable for the stability of the material, and crack nuclei formed during welding would be further reinforced by the attack of centrifugal forces during operation.
  • the material of the gas turbine rotor blade around the through opening is single. lent below or heated to the recrystallization temperature. This is done, for example, by placing the weld in the upper part of the foot or only in a very localized manner. This reduces or prevents the risk of recrystallization and thus reduced strength.
  • the cavity in the wing which receives the coolant is preferably formed in a meandering manner with a plurality of channel sections adjacent to the end wall, the core parts of which are connected to the
  • the core part of the contact edge area is connected by two locking pins and one of the through openings resulting therefrom is closed with a locking pin.
  • a connection of each core of a cavity with the core of the contact edge area with two locking pins improves the stability of the cohesion of the core parts during casting. This ensures that the castings in the area of the end wall comply with the required tight tolerances.
  • the rejection of castings which is based on a break in the locking pins, is reduced by the larger number of locking pins. If two locking pins are used, two through openings are also created.
  • the smaller passage opening can usefully be dimensioned such that a desired leakage flow of the coolant flows through it, while the large passage opening is closed by a locking pin. This method thus achieves both a small scrap of gas turbine rotor blade castings and a defined leakage rate.
  • the gas turbine rotor blade and the method for producing the gas turbine rotor blade are explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the drawing.
  • the figures show: 1 shows a perspective view of a gas turbine rotor blade with an open meandering area,
  • FIG. 2 shows a plan view of a gas turbine blade according to FIG. 1 in the direction II
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a gas turbine rotor blade along the line III-III in FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a section along the line IV-IV of FIG. 2 and an insert device for a locking pin
  • FIG. 1 shows a gas turbine rotor blade 1 which has a foot region (not shown), a wing region 2 and a brushing edge region 17 with brushing edges 3.
  • the gas turbine blade 1 comprises in its wing area 2 a meandering area 22 which is made up of a plurality of cavities 4 and guide ribs 23.
  • the cavities 4 of the wing region 2 and the contact edge region 17 are separated by an end wall 5 with a predetermined wall thickness s on the contact edge side. Maintaining a wall thickness s with narrow tolerances during production is necessary for uniform and reliable cooling of the end wall 5.
  • Wall thickness s is understood to mean the wall thickness between the openings of the guide ribs 23 in the inside 28 of the end wall 5.
  • This end wall 5 is penetrated by through openings 6a, 6b, which connect the cavities 4 of the meandering area 22 to the contact edge area 17.
  • This leakage flow 21 serves to cool the contact edge area 17.
  • a cutout 25 in the contact edge 3 in the contact edge area 17 in the vicinity of a rear edge 33 of the gas turbine rotor blade 1 on a negative pressure side 30 enables the leakage flow 21 to flow out of the contact edge area 17.
  • the cutout 25 in the contact edge 3 extends over the entire height h of the contact edge 3 with respect to the outside 10 of the end wall 5 on the contact edge side. If such an outlet for the coolant leakage 21 were not present, the distance between the static guide ring and the contact edges 3 would have to be set larger or the height h of the brushing edges can be increased. A large distance between the static guide ring and the contact edges 3 would lead to a large proportion of hot working gas flowing unused past the gas turbine rotor blades 1 and would reduce the efficiency of the gas turbine.
  • the vacuum side 30 has a convex shape.
  • the rubbing edge 3 of the opposite, concave overpressure side 31 of the gas turbine blade 1, on the other hand, runs continuously from the front edge 32 of the gas turbine blade 1 to the rear edge 33.
  • the gas turbine blade 1 has further outlet openings in the wing region 2, of which exemplary outlet openings 26, 27 in the region of rear edge 33 for the coolant leakage flow 21 are shown.
  • the through openings 6a, 6b shown are cylindrical and have different clear widths v and w.
  • the height of the through openings 6a, 6b corresponds to the wall thickness s the end wall 5.
  • the through openings 6b with the larger width are due to the casting process, which is illustrated again in FIG. They result from the use of large securing pins 18 to hold the core 14 together.
  • the through openings 6b are penetrated and closed by locking pins 7. No leakage flow 21 of the coolant flow 20 can therefore flow through these through openings 6b.
  • the heads 8 of the locking pins 7 rest on the inner side 28 of the end wall 5, while the feet 9 of the locking pins 7 are tied to the opposite outer side 10 of the end wall 5.
  • FIGS. 5a-d Different binding options are shown in FIGS. 5a-d.
  • the heads 8 of the locking pins 7 are arranged in the cavity 4 of the gas turbine blade 1, while the feet 9 of the locking pins 7 are arranged on the outside 10 of the gas turbine blade 1. In this way, with a large overlap of the heads 8 of the locking pins 7, the through openings 6b are closed with sufficient tightness during operation of the turbine due to the attacking centrifugal forces.
  • FIG. 2 shows a top view of the gas turbine rotor blade 1 and in particular of the contact edge area 17.
  • the gas turbine rotor blade 1 is, as in FIG. 1, above the
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a gas turbine rotor blade 1 along the curve III-III from FIG. 2.
  • the cavities 4 of the meandering area 22 of the wing area 2 each have two through openings 6a, 6b through the end wall 5 to the contact edge area 17 with two different clear widths v and w. It can be clearly seen that the wing region 2 and the contact edge region 17 of the gas turbine rotor blade 1 are integrally connected. This ensures great durability of the gas turbine rotor blade 1 even under the highest loads due to strong centrifugal forces and high working temperatures.
  • FIG. 4 shows a section through a gas turbine rotor blade 1 along the axis IV-IV in FIG. 2 with the locking pin 7 inserted.
  • the locking pin 7 has a semicircular head 8.
  • the shaft 45 is completely inserted into the through opening 6b of the end wall 5 and its foot 9 projects somewhat beyond the through opening 6b.
  • the protruding part of the locking pin 7 is less than the height h of the rubbing edge 3. In this way, the running of the gas turbine rotor blade 1 is not disturbed by the locking pin 7 used.
  • the locking pin 7 is inserted by inserting the insert tool 24. It has an annular collar 46 on its upper part 26 for holding the head 8 of the locking pin 7.
  • the insert tool 24 is inserted with the locking pin 7 inserted, with the foot 9 first, through openings in the foot region of the gas turbine rotor blade 1, through the cavities 4 of the meandering system 22 of the wing region 2 to the through openings 6b in the end wall 5 of the contact edge region 17 of the gas turbine rotor blade 1 used. Then the foot 9 of the locking pin 7 can be secured in one of the ways shown against falling out or loosening.
  • the tool 24 with its upper part 26 can hold the locking pin 7 in a supportive manner and, after the foot 9 of the locking pin 7 has been secured, can be removed again from the cavity 4 and the openings in the foot region of the gas turbine rotor blade 1.
  • the locking pin 7 can be a rivet, for example, a positive connection, which can be produced by cold riveting, being preferred in the present case to the positive connection by the hot riveting.
  • the sensitive, single-crystalline gas turbine blade material should not be stressed by external forces and should not be heated too much, because then recrystallization processes may start.
  • the end wall 5 has a defined wall thickness s. This makes it possible that a maximum permissible surface temperature of the gas turbine rotor blade 1 is not exceeded by a predetermined amount of cooling air necessary for cooling.
  • the size and number of leakage through openings 6a required for this can be assigned to the desired amount of coolant. This enables a lower coolant requirement and thus a high efficiency of the gas turbine.
  • the sealing pin 7 used is pressed with its head 8 against the end wall 5 and thus seals the passage opening 6b against a continuous flow of coolant 20. However, the adjacent leakage opening 6a is free and allows a certain coolant leakage flow 21 to pass through.
  • the locking pin 7 is secured against falling out by its widened foot 9.
  • FIGS. 5a-d show various possibilities for securing and anchoring a locking pin 7 that has been inserted.
  • the locking pins 7 have a radial play. A transition or possibly a slight interference fit can also be set.
  • Both countersunk rivets as in Figure 5a and semicircular rivets as in Figures 5b-d can be used.
  • the semicircular rivets have a large contact surface 42 on their head 8 and thus represent a low local load for the gas turbine material in the vicinity of the passage opening 6b when centrifugal forces act on the rivet while the turbine is running.
  • the head 8 of the rivets can be sunk into the end wall 5 with a frusto-conical through opening 6b. This improves the fit of the locking pin 7. In this case, the rivet head 8 provides little storage space for the dirt accompanying the cooling air 20.
  • a locking pin 7 is shown in a through opening 6b.
  • the head 8 of the locking pin 7 lies in the cavity 4 of the gas turbine blade 1 on the inside 28 of the end wall 5 and the foot 9 of the locking pin 7 on the outside 10 of the gas turbine blade 1. Due to the spreading on the foot 9, the locking pin 7 is permanently attached to the outside 10 of the gas turbine blade 1. The spreading can be carried out in cold as well as in warm condition.
  • the spread sections 11 of the foot 9 of the locking pin 7 form an anchoring which engages behind the end wall 5 and which can have a slight axial play.
  • Figure 5b shows a section through a foot 9 of the locking pin 7, which was heated above the outside 10 of the gas turbine blade 1.
  • the melting bead 29 formed at the base 9 projects beyond the clear width w of the through opening 6b, as a result of which anchoring is effected.
  • To fasten the locking pin 7 in the through opening 6b only the material of the foot 9 of the locking pin 7, but not that of the gas turbine blade 1, which has solidified in a directed manner or has a single-crystalline shape, is not, however, up to the melting point of the foot 9 of the locking pin 7 heated above the recrystallization temperature.
  • the resulting mushroom-shaped melting bead 29 is located at a distance f from the end wall 5, so that the locking pin 7 has an axial play and the gas turbine material is not influenced by heating.
  • a small welding spot 43 has been set on the edge of the foot 9 of the locking pin 7 on the shaft 45, the preferably does not touch the outside 10 of the gas turbine rotor blade 1 or only touches it very little. This ensures that the material of the gas turbine blade 1 is not unnecessarily heated by the welding process.
  • FIG. 5d Another possibility for anchoring the locking pin 7 is shown in Figure 5d.
  • the foot 9 of the locking pin 7 is provided with a thread 12 and is countered on the outside 10 of the gas turbine rotor blade 1 by a nut 13 screwed thereon.
  • this structure can be permanently attached by heating the foot 9 and the surrounding nut 13.
  • All of the locking pins 7 shown are fitted into the through-openings 6b in such a way that they are seated tension-free in the through-openings 6b due to the casting process even under the working conditions of the gas turbine rotor blades 1. This has the effect that no stresses in the axial or radial directions act on the material of the gas turbine blade 1.
  • the material of the locking pins 7 is adapted to the material of the gas turbine rotor blade 1.
  • the locking pins 7 are preferably made of the same material or of a cobalt-based alloy. Due to similar thermal expansion coefficients, this prevents in particular different thermal expansion at the same temperature. The axial fits are retained.
  • the nickel and cobalt base materials are particularly suitable for this application because they have great strength and are easy to weld.
  • the locking pins 7 are preferably round and have a diameter d of approximately 3 to 6 mm.
  • Figure 6 shows a core 14 for casting a gas turbine blade 1 with core parts 15, 16.
  • the core parts 15, 16 are held together by locking pins 18.
  • a paired arrangement of a larger locking pin 18 with a diameter u and a smaller locking pin 18 with a diameter x is shown.
  • the locking pins 18 are held on formings or embedded anchor 44 in the core material, which preferably consists of injection-molded ceramic.
  • the core parts 15 each form a cavity 4 of a wing region 2 of a gas turbine blade 1 during the casting process.
  • the core part 16 forms the inner shape of the contact edge region 17.
  • the free region 41 around the securing pins 18 forms the end wall 5 on the contact edge side during the casting process.
  • the locking pins 18 keep the core parts 15, 16 at a predetermined distance, which, taking into account the shrinkage after the casting process, corresponds to a wall thickness s then obtained of the end wall 5 on the outer side.
  • the casting process is preferably carried out using the precision casting process, for example using a lost wax mold.
  • a nickel-based alloy is preferably used as the material for the gas turbine rotor blade 1.
  • the locking pins 18 are subjected to strong deformation forces from different directions during the casting process and in particular during cooling. If the locking pins 18 are not of sufficient thickness u, they tend to break. In the event of a break, the casting is rejected.
  • through openings 6a, 6b are kept free in the end wall 5 on the contact edge, which, as shown in the above figures, can be used as leakage openings or closed by locking pins 7.
  • the through openings 6b which are created by the large locking pins 18 during casting, are closed by inserting a locking pin 7.
  • the diameters x of the smaller locking pins 18 are chosen such that they enable a desired, predetermined coolant leakage 21 through their through openings 6a.
  • Another possibility is to use only the large locking pins 18 and through openings 6a for producing a predetermined coolant leakage 21 by drilling in the cast gas turbine run. To manufacture blade piece or to close only part of the large through openings 6b.

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Abstract

Um eine kühlmitteldurchströmte, gegossene Gasturbinenlaufschaufel (1), die Durchgangsöffnungen (6a, b) aufweist, von denen zumindest eine gußherstellungsbedingt ist, so auszubilden, daß sie bei geringem Ausschuß und unter weitgehender Vermeidung von Gießfehlern herzustellen ist, wird vorgeschlagen, daß eine oder mehrere der gußherstellungsbedingten Durchgangsöffnungen (6b) von einem nietartigen Verschlußstift (7) durchgriffen ist bzw. sind, dessen Fuß (9) an der gegenüberliegenden Seite (10) einer Stirnwand (5) gefesselt ist.

Description

Gasturbinenlaufschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufei
Die Erfindung betrifft eine gegossene Gasturbinenlaufschaufel und ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel mittels Gießens.
Zur Realisierung eines hohen Wirkungsgrades ist eine möglichst hohe Arbeitsgastemperatur erforderlich. Die durch hohe bzw. wechselnde Temperaturen, Drücke und Fliehkräfte stark belasteten Laufschaufeln der Gasturbine sind metallische Hohlkörper, deren Hohlräume von Kühlmittel durchströmt werden. Ein Kühlmittelstrom läuft vom Fuß der Gasturbinenlaufschaufel, mit welchem diese an einem Laufrad befestigt ist, durch einen inneren Hohlraum mit mäandrierenden Luftleitkammern zu Auslaßöffnungen im Flügelbereich oder im Spitzenbereich der Gasturbinenlaufschaufel und bildet auf der Außenwand der Gasturbinenlaufschaufel einen Kühlfilm.
Um den Anteil von ungenutzt am Randbereich der Gasturbinenlaufschaufeln vorbeiströmendem Arbeitsgas zu minimieren, ist das Laufrad mit den eingesetzten Gasturbinenlaufschaufeln so innerhalb der Gasturbine angeordnet, daß die Einhüllende der Spitzen der Gasturbinenlaufschaufeln in einem möglichst ge- ringen Abstand zum Innenumfang eines umlaufenden, statischen Führungsrings verläuft. Hierbei muß neben einer engen Passung sichergestellt sein, daß die Gasturbinenlaufschaufel nicht beschädigt und der radial äußere Spitzenbereich ausreichend gekühlt wird. In diesem Spitzenbereich ist die spitzenseitige Außenwand der Gasturbinenlaufschaufel deshalb von vorstehenden Randstegen umgeben, den Anstreifkanten. Eine Kühlung diese Anstreifkantenbereichs erfolgt mittels eines Kühlmittelstroms, der von den inneren Hohlräumen durch Durchgangsöffnungen in der anstreifkantenseitigen Stirnwand in den An- streifkantenbereich fließt und dort durch Öffnungen in den Anstreifkanten wieder herausgeleitet wird, wie in US-PS 4,761,116 offenbart. Aufgrund der komplexen Struktur des Anstreifkantenbereichs sind besondere Anforderungen an ein Gießverfahren zur Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel zu stellen. In einem derartigen Gießverfahren wird ein einen Hohlraum bildender Kern von einem Wachsmantel umgeben, der durchgehende Sicherungsstifte aus hitzebeständigem Material aufweist. Dieser Aufbau wird dann mehrfach in einen Keramikbrei getaucht und erhitzt. Der Keramikbrei erhärtet und der Wachsmantel wird daraufhin abgeschmolzen. In die noch warme Form wird das eigentliche Gießmaterial eingefüllt. Die Dicke des Gießstücks an einer Stelle entspricht dabei unter Berücksichtigung von Schrumpfungen der Dicke des Wachsmantels. Dieses Verfahren erlaubt es, enge Toleranzen in der Bemessung des Gießteils einzuhalten und gleichzeitig die wesentliche Formgebung des Bauteils in einem Schritt zu vollziehen.
Bei der Herstellung von Anstreifkantenbereichen mit zweistük- kigem Aufbau, wie dieser aus den US-PSn 3,899,267 und 4,010,531 bekannt ist, kann es leicht zu Beschädigungen des
Gasturbinenmaterials kommen. Auch besteht eine erhöhte Gefahr der Ablösung eines eingesetzten Teils beim Betrieb der Gasturbinenlaufschaufel. Dies wird durch einen Aufbau des Anstreifkantenbereichs mit dem Flügelbereich der Gasturbinen- laufschaufei in einem Stück vermieden. Eine Gasturbinenlaufschaufel mit Innenkühlung und Durchgangsöffnungen zur Kühlung des Anstreifkantenbereichs mit einstückigem Aufbau ist aus der EP 0 340 149 Bl und US-PS 4 761 116 bekannt. Die Herstellung einer derartigen Gasturbinenlaufschaufel stellt erhöhte Anforderungen an den Aufbau der Gußformen und insbesondere des Kernes der Gußform. Um eine gleichbleibende Kühlung des Anstreifkantenbereichs sicherzustellen, muß die Dicke der anstreifkantenseitigen Stirnwand zwischen Hohlraum und Anstreifkantenbereich mit engen Toleranzen gefertigt sein. Der Kernteil des Hohlraumsystems wird mit dem Kernteil des Anstreifkantenbereichs starr verbunden und beide auf diese Weise beim Gießprozeß in einem festgelegten, konstanten Abstand voneinander gehalten. Diese Verbindung wird durch Sicherungsstifte hergestellt, die in beiden Kernteilen verankert sind. Diese Sicherungsstifte sind beim Gießprozeß einer großen Belastung unterworfen, wodurch sie leicht brechen. Bei einem Bruch der Sicherungsstifte sind die verlangten Toleranzen nicht einzuhalten und das Gußteil ist Ausschuß.
Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem besteht darin, den Durchmesser der Sicherungsstifte so groß auszubilden, daß sie den Belastungen des Gießprozesses standhalten. Bedingt durch die größeren Sicherungsstifte enstehen jedoch große Durchgangsöffnungen in der anstreifkantenseitigen Stirnwand der gegossenen Gasturbinenlaufschaufel zwischen Hohlraum und Anstreifkantenbereich. Damit wird die Leckage des durch die Durchgangsöffnungen hindurchfließenden Kühlmittels sehr hoch. Um dies zu vermeiden, werden als Kompromiß Sicherungsstifte mit mittlerem Durchmesser verwendet. Hierdurch werden jedoch weder für die Gußausschußrate noch die Leckageluft optimale Werte erreicht.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Leckage des Kühlmittels besteht darin, die durch die Sicherungsstifte entstandenen großen Durchlaßöffnungen zuzuschweißen oder ein Abdeckblech aufzuschweißen. Das hat den Nachteil, daß hierdurch Risse in- duziert werden können, die beim Betrieb der Gasturbinenlaufschaufel wachsen. Auch können durch die hohen Temperaturen beim Schweißen Rekristallisationsvorgänge einsetzen, die das Material an den betreffenden Stellen insbesondere bei einkristallinen und gerichtet erstarrten Gasturbinenlaufschaufeln schwächen. Die große Belastung durch die Fliehkraft bei rotierenden Gasturbinenlaufschaufeln führt häufiger zum teilweisen oder vollständigen Ablösen des Abdeckblechs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gas- turbinenlaufschaufei anzugeben, die bei geringem Ausschuß und unter weitgehender Vermeidung von Gießfehlern und Wahrung der Toleranzen beim Gießen hergestellt werden kann und bei der unabhängig von den Herstellungsbedingungen beim Gießvorgang eine vorbestimmte Kühlmittelleckage auch unter Betriebsbedingungen dauerhaft und ohne Gußmaterialschädigungen einzustellen ist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Gasturbinenlaufschaufel herzustellen ist.
Die Lösung der auf die Gasturbinenlaufschaufel gerichteten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine kühlmitteldurchströmte, gegossene Gasturbinenlaufschaufel, nach Anspruch 1.
Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenlaufschaufel werden einerseits enge Gußwandstärkentoleranzen an der anstreifkanten- seitigen Stirnwand eingehalten. Dies geschieht durch die Verwendung von ausreichend stabilen und großen Sicherungsstiften zur Verbindung der Kernteile für die Gußform. In die hierdurch in der anstreifkantenseitigen Stirnwand entstehenden gußherstellungsbedingten Durchgangsöffnungen sind nietartige Verschlußstifte eingesetzt. Dies verhindert eine unerwünscht große Leckage des Kühlmittels beim Betrieb der Gasturbine. Das Freilassen bestimmter Durchgangsöffnungen ermöglicht es, eine vorbestimmte Kühlmittelleckage einzustellen.
Die Leckage kann individuell auf den Kühlungsbedarf unterschiedlicher Arten von Gasturbinenlaufschaufeln eingestellt sein. Dies geschieht lediglich durch Veränderung der Größe und Zahl der freigelassenen Durchgangsöffnungen.
Durch den Einsatz der Verschlußstifte wird auf das Material der Gasturbinenlaufschaufel weder während des Einsatzprozes- ses des Verschlußstiftes noch während der späteren Arbeitsphase schädigend eingewirkt. Die Gasturbinenlaufschaufel wird weder durch die Einwirkung hoher Temperaturen noch starker Verformungen angegriffen. Gleichzeitig bietet der nietartige Verschlußstift eine große Festigkeit. Durch Überdeckung der Durchgangsöffnung mit dem Kopf des Verschlußstifts entsteht ein Hintergriff, der nur durch Abriß des Kopfes lösbar ist. Dies gewährleistet einen dauerhaften Halt während der Bela- stungen durch hohe bzw. wechselnde Temperaturen, Drücke und Fliehkräfte bei laufender Gasturbine.
Die Form des Verschlußstiftes und sein Durchmesser lassen sich an beliebige gußherstellungsbedingte Durchgangsöffnungen anpassen. Dasselbe gilt für das Material des Verschlußstiftes. Dieses kann beispielsweise so gewählt werden, daß keine unerwünschten Diffusionsvorgänge oder andere Verschmutzungen des Gasturbinenmaterials auftreten, die zu einem Verlust an Festigkeit oder einer sonstigen Veränderung der Materialeigenschaften führen können. Es muß nicht wie bei dem vorher verwendeten Abdeckblech darauf geachtet werden, daß das Material des Verschlußstiftes schweißbar ist. Je nach Belastungsart und Einsatztemperatur können die Abmessungen des Ver- schlußstiftes so gewählt werden, daß dieser in der Durchgangsöffnung paßgenau oder mit Spiel sitzt. Das Spiel kann so eingestellt werden, daß das umgebende Material der Gasturbinenschaufel selbst bei hohen Temperaturen nicht durch Kräfte aufgrund der Wärmeausdehnung des Verschlußstiftes belastet und verformt wird.
Der Verschlußstift kann sowohl unlösbar als auch lösbar eingesetzt werden. Bei lösbarem Verschlußstift kann eine Durchgangsöffnung bspw. zur Verwendung als Inspektions- oder Rei- nigungsöffnung wieder freigelegt werden, ohne daß das Gasturbinenmaterial beschädigt wird. Ein unlösbarer Verschlußstift bietet einen dauerhaften Halt auch bei hohen und wechselnden Temperaturen und angreifenden Kräften. Beide Verschlußarten können an einer Gasturbinenlaufschaufel auch kombiniert ein- gesetzt werden. Es kann somit eine Anpassung der Leckagerate an veränderte Anforderungen bspw. einer Erhöhung der Betriebstemperatur der Gasturbine oder des Drucks des Kühlmittels erfolgen.
Um sowohl den Anforderungen nach geringem Ausschuß beim Guß als auch nach einer praktisch beliebig und genau einstellbaren Leckage des Kühlmittels mit geringem Aufwand gerecht zu werden, sind vorzugsweise Durchgangsöffnungen mit unterschiedlichen lichten Weiten vorhanden, die bis auf Durchgangsöffnungen vorbestimmter lichter Weite durch Verschlußstifte verschlossen sind. Durchgangsöffnungen mit unter- schiedlichen lichten Weiten ermöglichen es, bereits beim
Gießprozeß Leckageöffnungen mit vorbestimmten Weiten herzustellen, ohne diese nach dem Gußprozeß in einem weiteren Arbeitsschritt anzubringen.
Einerseits ist die starre und maßtreue Verbindung der Kernteile mittels ausreichend dicker Sicherungsstifte während des Gusses gewährleistet und dadurch der Ausschuß vermindert und gleichzeitig ist eine genaue Einstellung der Leckage mittels anderer Sicherungsstifte möglich. Weite Durchgangsöffnungen, die im wesentlichen gußherstellungsbedingt sind, können einfach durch den Verschlußstift verschlossen werden, während engere Durchgangsöffnungen bevorzugt für den Durchfluß des Kühlmittels eingesetzt werden können. Die engeren Durchgangsöffnungen können praktisch ohne Einschränkung durch Stabili- tätsanforderungen an den Kern dimensioniert werden, während weite Durchgangsöffnungen die Stabilität des Kerns beim Gießprozeß geben. Durchgangsöffnungen mit unterschiedlichen lichten Weiten ermöglichen es darüber hinaus, eine Optimierung des Leckageflusses des Kühlmittels dahingehend vorzunehmen, daß im Erprobungsstadium verschiedene der Durchgangsöffnungen durch die eingesetzten Verschlußstifte offengelassen bzw. verschlossen werden und auf diese Weise eine Optimierung der Leckage vorgenommen werden kann.
Wenn der Kopf des Verschlußstiftes im Hohlraum der Gasturbinenlaufschaufel und der Fuß des Verschlußstiftes an der Außenseite der Gasturbinenlaufschaufel angeordnet ist, wird eine gute Abdichtung gegen unerwünschten Kühlmitteldurchfluß erhalten. Durch das Auftreten von Fliehkräften während des Betriebs der Gasturbine wird die Durchgangsöffnung mittels Anpressens des Kopfes des eingesetzten Verschlußstiftes an die Innenseite der Stirnwand der Gasturbinenlaufschaufel gut abgedichtet .
Durch die Fliehkräfte, die Haltekräfte und den Anpreßdruck entsteht ein auf dem Material der Umgebung einer Durchgangsöffnung lastender Druck. Bei Verwendung eines Verschlußstiftes mit rundem Kopf wird der durch den Verschlußstift ausgeübte Druck auf das Gasturbinenmaterial auf eine Ringfläche um die Durchgangsöffnung verteilt. Dies bewirkt einerseits, daß keine lokalen Druckerhöhungen auftreten und andererseits eine verbesserte Dichtung gegenüber einer unerwünschten Leckage des Kühlmittels.
Für einen dauerhaft festen Halt des Verschlußstiftes zu ge- währleisten, ist der Fuß des Verschlußstiftes bevorzugt an der Außenseite der Gasturbinenlaufschaufel unlösbar befestigt. Der Verschlußstift kann sich nicht lockern bzw. herausfallen, weder bei den hohen Betriebstemperaturen und hohen Betriebslasten noch beim Stillstand der Gasturbinenlaufschau- fei bzw. sobald keine ausreichenden Fliehkräfte mehr auf den Verschlußstift wirken. Eine erfindungsgemäße, unlösbare Befestigung ist fertigungstechnisch mit üblichen, kostengünstigen Fügetechniken herzustellen, bspw. durch Anschmelzen, Anschweißen oder durch Anlöten mit Formschluß, KraftSchluß oder Reibschluß.
Um einen Verschlußstift an der Außenwand sicher zu halten, ist der Verschlußstiftfuß vorzugsweise an der Außenseite der Gasturbinenlaufschaufel aufgespreizt und mit den aufgespreiz- ten Abschnitten verankert ist. Auf diese Weise wird der Verschlußstift verliersicher und dauerhaft in der Durchgangsöffnung gehalten. Auch bei einer Belastung durch wechselnde Temperaturen ist keine Lockerung des Verschlußstiftes zu befürchten. Die Befestigung ist somit wartungsarm. Bei der Be- festigung des Verschlußstiftes wird die Gasturbinenlaufschaufel keinen lokal erhöhten Temperaturen ausgesetzt, die zu Schädigungen der Gefügestruktur führen können. Ein Verschluß- stift wird für diese Art der Befestigung bspw. vorgeschlitzt und nach dem Einsetzen verquetscht, bis eine nietartige Aufspreizung erreicht ist. Der dadurch entstehende Formschluß weist einen Hintergriff an beiden Seiten der Stirnwand auf. Hierfür können Standardbauteile verwendet werden. Das Gießmaterial der Gasturbinenlaufschaufel wird bei dieser Art der Befestigung durch keinerlei Wärmeeinwirkung belastet.
Eine unlösbar feste, ohne mechanische Einwirkungen auf das Gasturbinenmaterial herstellbare Verankerung liegt vor, wenn der Fuß des Verschlußstiftes radial außenseitig der Außenseite der Gasturbinenlaufschaufel die lichte Weite der Durchgangsöffnung mit einer durch Erhitzen bis über die Schmelztemperatur entstandenen Schmelzperle überragt und dadurch verankert ist. Bei der Erhitzung des Fußes wird praktisch ausschließlich der Verschlußstift erwärmt. Ein Wärmeübergang auf das Gasturbinenmaterial erfolgt nur zu einem geringen Anteil, da die thermische Kopplung zwischen beiden lediglich gering ist. Dies beruht auf der lokal begrenzten, kleinen Kontaktzone bei einer radialen Spielpassung des Verschlußstiftes in der Durchgangsöffnung, wobei die übrigen Stellen zwischen Durchgangsöffnung und Verschlußstift einen Luftspalt aufweisen. Bei Übergangspassung des Verschlußstiftes in der Durchgangsöffnung besteht meist noch ein gewisser Abstand zum angeschmolzenen Material des Verschlußstiftfußes. Die enstan- dene Schmelzperle hintergreift bzw. überdeckt die Durchgangsöffnung wodurch ein Formschluß hergestellt wird. Die Herstellung einer derartigen Verankerung ist mit geringem Aufwand möglich, bspw. durch die Verwendung eines Punktschweißgeräts. Die Arbeiten können unproblematisch von Hand ausgeführt werden, da die Schweiß- bzw. Erhitzungsstelle lediglich an einer beliebigen, vorzugsweise mittigen Stelle auf dem Fuß des Verschlußstiftes liegen und nicht mit einer großen Genauigkeit angesteuert werden muß. Alternativ ist auch zur Verbesserung der Genauigkeit eine automatisierte Schweißung möglich. Die
Oberfläche des Fußes des Verschlußstiftes wird durch die vorgeschlagene AufSchmelzung abgerundet. Es können sich in einem geringeren Maße Schmutzpartikel festsetzen. Es ist auch möglich, den Fuß lediglich in die Nähe der Schmelztemperatur zur erwärmen und ihn anschließend warm zu verformen und dadurch eine Verbreiterung des Fußes über die lichte Weite der Durch- gangsöffnung hinaus zu erhalten.
Vorzugsweise ist der Fuß des Verschlußstiftes mit einem Gewinde versehen und der Kopf des Verschlußstiftes an der Außenseite der Gasturbinenlaufschaufel durch eine auf das Ge- winde aufgeschraubte Mutter gekontert. Eine derartige Verbindung kann sowohl lösbar als auch unlösbar vorgesehen werden. Der Verschlußstift kann auch durch eine außenseitige Splintsicherung gesichert werden.
Ein lösbarer Verschlußstift ermöglicht es, nach Entfernen des Verschlußstiftes die Durchgangsöffnung als Inspektions- oder Reinigungsöffnung zu nutzen. Hierdurch können ohne zusätzlich eingerichtete Durchgangsöffnungen Beschädigungen im Inneren der Gasturbinenlaufschaufel bspw. mittels endoskopischer Me- thoden aufgedeckt und behoben werden. Auch können nach dem Entfernen der Verschlußstifte kurzzeitig große Mengen Luft durch die vorher verschlossenen großen Durchgangsöffnungen und durch die mäandrierenden Luftleitkammern strömen und auf diese Weise angesammelter Schmutz aus dem Inneren der Gas- turbinenlaufschaufei entfernt werden.
Nach dem Aufschrauben der Mutter können zusätzlich noch Verschlußstiftfuß und Mutter erhitzt oder gekörnert werden, so daß eine unlösbare Verbindung entsteht. Das umgebende Gastur- binenmaterial wird dabei nicht durch die Wärmeeinwirkung oder mechanische Belastung geschädigt. Auch ein Verschlußstift aus einem hochwarmfesten Material z.B. einem Nickelbasiswerkstoff kann auf diese Weise dauerhaft unlösbar befestigt werden. Generell sind Verschlußstifte aus dem Werkstoff der Gasturbi- nenlaufschaufei vorzuziehen. Auf diese Weise entstehen keine unerwünschten Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdeh- nungen bzw. es treten nur unwesentliche Diffusionsvorgänge auf .
Um Schädigungen des Gasturbinenmaterials durch Wärmeausdeh- nung zu vermeiden, ist der Verschlußstift bevorzugt derart in die gußherstellungsbedingten Durchgangsöffnungen eingepaßt, daß er darin unter den Arbeitsbedingungen der Gasturbinenlaufschaufel spannungsfrei sitzt. Erhöhte Temperaturen, wie sie bei den Arbeitsbedingungen der Gasturbine vorliegen, füh- ren zu einer materialspezifischen Ausdehnung, die große
Kräfte im Werkstück ausüben kann. Dies wird durch eine genaue, vorbestimmte lockere Passung verhindert. Beispielsweise kann eine Passungspaarung zwischen H7/h7 und H7/f7 gewählt werden.
Gleichzeitig gewährleistet die Form des Verschlußstiftes auch bei einer spielbehafteten Anpassung eine gute Dichtung gegenüber einem ungewollten Leckagefluß des Kühlmittels, weil der Kopf des Verschlußstiftes so gewählt werden kann, daß er unter jeder Bedingung die lichte Weite der Durchgangsöffnung überdeckt. Auch bei einem ungenauen Sitz des Kopfes ist eine ausreichende Abdichtung durch eine schmale Trennfuge zwischen dem Schaft des Verschlußstiftes und dem Innenumfang der Durchgangsöffnung gegeben, weil diese einen hohen Strömungs- widerstand bietet.
Die Verschlußstifte weisen Durchmesser von 3 bis 6 mm auf. Diese Durchmesser ermöglichen bei den Durchgangsöffnungen, die durch den Gußvorgang handelsüblicher Gasturbinenlauf- schaufeln herstellungsbedingt entstehen, eine gute Abdichtung. Die Verschlußstifte können für jede Gasturbinenlaufschaufelöffnung für verschiedenartige Gasturbinen eingesetzt werden. Es sind auch Verschlußstifte im Bereich von 1 bis 2 mm einsetzbar.
Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel durch Gießen gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Ausgehend von einer Öffnung im Fuß der Gasturbinenlaufschaufel, z.B. der Einlaßöffnung für Kühlmittel, kann der Sicherungsstift durch den Kühlmittelhohlraum an die Durchgangsöffnung mit dem Fuß voran herangebracht, mit dem Schaft durch die Durchgangsöffnung hindurchgesteckt und der Verschlußstift mit seinem Fuß befestigt werden. Dieses Verfahren zum Verschluß der gußher- stellungsbedingten Durchgangsöffnungen kommt ohne großflächig angewandte, thermisch und mechanisch belastende Fügeverfahren aus. Es ist für das Gußmaterial der Gasturbinenlaufschaufel sehr schonend. Die Auswahl der Sicherungsstifte für den Gußprozeß kann sich durch dieses Verfahren einzig und allein auf geeignete Abmessungen, Form und Material für einen festen Halt der Kernteile beim Gießprozeß ausrichten. Es müssen nicht noch die Möglichkeit einer sicheren Befestigung z.B. durch gute Schweißbarkeit berücksichtigt werden. Auch eine optimierte, vorbestimmte Kühlmittelleckage kann unabhängig vom Gießprozeß eingestellt werden. Dies vermindert die Anzahl der Fehlversuche und somit den Ausschuß und senkt die Her- Stellungskosten für die Gasturbinenlaufschaufeln.
Durch die Verwendung von Sicherungsstiften mit zwei verschiedenen Durchmessern kann ein toleranzeneinhaltender Sitz der Kernteile durch den Einsatz ausreichend großer Sicherungs- stifte gewährleistet werden. Die durch diese großen Sicherungsstifte entstandenen großen Durchgangsöffnungen werden durch Verschlußstifte verschlossen. Kleinere Sicherungsstifte können in der Größe derart gewählt werden, daß sie lediglich durch die Anforderungen hinsichtlich der Kühlmittelleckage bestimmt sind, weil sie für den Halt der Kernteile nicht oder nur in geringem Maße erforderlich sind. Es müssen also zur Einstellung der gewünschten Leckage nicht nachträglich nach dem Guß Öffnungen in den Stirnwandbereich der Gasturbinenlaufschaufel gebohrt werden. Darüberhinaus stellen eine große Anzahl von Sicherungsstiften einen noch besseren Halt für die Kernteile dar. Andererseits kann eine Bohrung in die Stirnwand eingebracht werden, um eine vorbestimmte Kühlmittelleckage zu gewährleisten. Dieses Verfahren kann zusätzlich zu und neben dem Gießverfahren eingesetzt werden. Es ermöglicht eine nachträgliche Korrektur der Leckagerate der vorhandenen oder die Anbringung einer zusätzlichen Leckageöffnung, die bspw. durch Sicherungsstifte schwer herzustellen ist, wenn z.B. eine Durchgangsöffnung mit einer starken Neigung zur Stirnwand gefordert ist.
Zur Gewährleistung eines sicheren Halts des Verschlußstifts wird der in die Durchgangsöffnung eingesetzte Verschlußstift mit seinem eingesetzten Fuß an der Außenseite der Gasturbinenlaufschaufel angeschweißt. Auch bei Stillstand der Gas- turbine, bzw. unter Wechsellastbedingungen, in denen sich Richtung und Betrag der an dem Verschlußstift angreifenden Kräfte ändern, ist der Sitz des Verschlußstiftes gewährleistet. Wenn lediglich ein kleiner Punkt des Verschlußstiftfußes angeschweißt wird, ist dies schnell durchzuführen. Es reicht aus, eine Perle auf eine beliebige Stelle des Fußes aufzuschweißen, ohne einen Kontakt zum Gasturbinenmaterial herzustellen. Ein dauerhafter Halt des Verschlußstiftes ist trotzdem gegeben und die Gasturbinenlaufschaufel wird praktisch nicht thermisch belastet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Verankerung des Verschlußstiftes ist es, wenn das Material des Fußes erhitzt wird und die entstehende Schmelzperle die lichte Weite der Durchgangsöffnung überragt und so den Verschlußstift verankert. Bei diesem Verfahren wird eine Energiequelle auf den Fußbereich des Verschlußstiftes fokussiert und dieser lediglich lokal soweit bis auf etwa seine Schmelztemperatur bzw. Fließtemperatur aufgeschmolzen, daß das Material noch durch die Oberflächenspannung zusammengehalten wird. Der Wär- meeintrag in das umgebende Gasturbinenmaterial ist dabei sehr gering und stellt keine Schädigung für die Gefügestruktur dar. Die entstehende Schmelzperle überragt dann die lichte Weite der Durchgangsöffnung ohne mit ihr verbunden zu sein. Hierdurch entsteht am Fuß des Verschlußstiftes eine dauerhafte Halteeinrichtung für den Verschlußstift auch bei hohen Beriebstemperaturen und -belastungen bspw. durch Fliehkräfte. Das Gasturbinenmaterial wird dabei nicht in Mitleidenschaft gezogen. Durch die glatte Oberfläche bzw. die runde Ausformung des Bereichs sammelt sich weniger Schmutz an dem Ende des Verschlußstiftes durch von der vorbeiströmenden Kühlluft mittransportierte Schmutzpartikel .
Bevorzugt wird beim Erhitzen eines in eine Durchgangsöffnung der Gasturbinenlaufschaufel eingebrachten Verschlußstiftes das gerichtet erstarrte Gußmaterial der Gasturbinenlaufschaufel lokal nicht über die Rekristallisationstemperatur hinaus aufgeheizt. Moderne Gasturbinenlaufschaufeln werden für hohe mechanische Belastungen bevorzugt in einkristalliner bzw. gerichtet erstarrter Form hergestellt, weil ein polykristallines Material häufig Risse und Brüche entlang der Korngrenzen aufweist. Dies beruht u.a. auf der bevorzugten Ablagerung von Karbiden oder Nitriden auf den Korngrenzen, die zu einer Ver- sprödung an diesen Stellen und zum Sprödbruch der Gasturbinenlaufschaufeln führen. Ein einkristalliner Aufbau bzw. eine gerichtete Erstarrung mit Korngrenzen parallel zur Hauptangriffsrichtung der Fliehkräfte auf die Gasturbinenlaufschau- fei sind einer derartigen Versprödungsgefahr nicht ausgesetzt .
Bei einem üblichen Schweißvorgang kann die material- und ge- fügespezische Rekristallisationstemperatur der einkristalli- nen Gasturbinenlaufschaufeln jedoch leicht überschritten werden. Es würden sich zusätzliche Korngrenzen in für die Stabilität des Materials ungünstigen Richtungen bilden und beim Anschweißen entstandene Rißkeime würden durch das Angreifen von Fliehkräften beim Betrieb weiter verstärkt. Beim vorge- schlagenen Einsetzen des Verschlußstiftes und der anschließenden Befestigung durch Erhitzen wird das Material der Gasturbinenlaufschaufel um die Durchgangsöffnung herum ledig- lieh unterhalb oder bis zur Rekristallisationstemperatur erhitzt. Dies geschieht bspw. dadurch, daß die Schweißstelle im oberen Teil des Fußes oder lediglich sehr lokal eingegrenzt gesetzt wird. Hierdurch ist die Gefahr einer durch die Rekri- stallisation und damit einer verminderten Festigkeit verringert bzw. verhindert.
Vorzugsweise wird der das Kühlmittel aufnehmende Hohlraum in dem Flügel mäanderartig mit mehreren der Stirnwand benachbar- ten Kanalabschnitten ausgebildet, deren Kernteile mit dem
Kernteil des Anstreifkantenbereichs durch jeweils zwei Sicherungsstifte verbunden sind und von den daraus entstehenden Durchgangsöffnungen eine mit einem Verschlußstift verschlossen wird. Eine Verbindung jedes Kernes eines Hohlraumes mit dem Kern des Anstreifkantenbereichs mit zwei Sicherungsstiften verbessert die Stabilität des Zusammenhalts der Kernteile beim Gießen. Dies stellt sicher, daß die Gußteile im Bereich der Stirnwand die erforderlichen, engen Toleranzen einhalten.
Gleichzeitig ist der Ausschuß von Gußteilen, der auf einem Bruch der Sicherungsstifte beruht, durch die größere Anzahl der Sicherungsstifte vermindert. Werden jeweils zwei Sicherungsstifte eingesetzt, entstehen auch zwei Durchgangsöffnungen. Die kleinere Durchgangsöff ung kann sinnvollerweise so dimensioniert werden, daß ein erwünschter Leckagestrom des Kühlmittels hindurchfließt, während die große Durchgangsöffnung wird von einem Verschlußstift verschlossen wird. Durch dieses Verfahren wird also sowohl ein geringer Ausschuß an Gasturbinenlaufschaufelgußteilen wie auch eine definierte Leckagerate erreicht.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden die Gasturbinenlaufschaufel und das Verfahren zur Herstellung der Gasturbinenlaufschaufel näher erläutert. Die Figuren zeigen: FIG 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenlaufschaufel mit offengelassenem Mäanderbereich,
FIG 2 eine Aufsicht auf eine Gasturbinenlaufschaufel ge- maß FIG.l in Richtung II,
FIG 3 einen Längsschnitt durch eine Gasturbinenlaufschaufel entlang der Linie III-III in FIG.2,
FIG 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der FIG.2 und eine Einsatzvorrichtung für einen Verschlußstift,
FIG 5a-d verschiedene Verankerungen der Verschlußstifte,
FIG 6 eine schematische Darstellung eines aus mehreren
Teilen aufgebauten Kernes zum Gießen einer Gasturbinenlaufschaufel nach FIG.l.
In Figur 1 ist eine Gasturbinenlaufschaufel 1 gezeigt, die einen nicht dargestellten Fußbereich, einen Flügelbereich 2 und einen Anstreifkantenbereich 17 mit Anstreifkanten 3 aufweist. Die Gasturbinenlaufschaufel 1 umfaßt in ihrem Flügelbereich 2 einen mäanderförmigen Bereich 22, der aus mehreren Hohlräumen 4 und Leitrippen 23 aufgebaut ist. Die Hohlräume 4 des Flügelbereichs 2 und der Anstreifkantenbereich 17 sind durch eine anstreifkantenseitige Stirnwand 5 mit vorbestimmter Wandstärke s getrennt. Die Einhaltung einer Wandstärke s mit engen Toleranzen bei der Fertigung ist für eine gleichmäßige und zuverlässige Kühlung der Stirnwand 5 notwendig. Unter Wandstärke s wird dabei die Wandstärke zwischen den Einmündungen der Leitrippen 23 in die Innenseite 28 der Stirnwand 5 verstanden. Diese Stirnwand 5 ist von Durchgangsöffnungen 6a, 6b durchbrochen, die die Hohlräume 4 des Mäanderbereichs 22 mit dem Anstreifkantenbereich 17 verbinden.
Durch das Mäandersystem 22 fließen Kühlmittelströme 20, die vom Fuß der Gasturbinenlaufschaufel 1 kommend in die ver- schiedenen Hohlräume 4 des Flügelbereichs 2 der Gasturbinenlaufschaufel 1 umgeleitet werden. Durch die Rippen 23 und 27 werden sie innerhalb der Hohlräume 4 noch einmal umgeleitet. Am oberen Ende der Hohlräume, an der anstreifkantenseitigen Stirnwand 5, fließt ein Teil des Kühlmittelstroms 20 als Leckagestrom 21 durch die Durchgangsöffnungen 6a, 6b.
Dieser Leckagestrom 21 dient zur Kühlung des Anstreifkantenbereichs 17. Eine Aussparung 25 in der Anstreifkante 3 im An- streifkantenbereich 17 in der Nähe einer hinteren Kante 33 der Gasturbinenlaufschaufel 1 an einer Unterdruckseite 30 ermöglicht es, daß der Leckagestrom 21 aus dem Anstreifkantenbereich 17 ausströmen kann. Die Aussparung 25 in der Anstreifkante 3 verläuft über die gesamte Höhe h der Anstreif- kante 3 bezogen auf die Außenseite 10 der anstreifkantenseitigen Stirnwand 5. Wäre ein derartiger Ausgang für die Kühlmittelleckage 21 nicht vorhanden, müßte der Abstand zwischen statischem Führungsring und Anstreifkanten 3 größer eingestellt werden oder die Höhe h der Anstreifkanten vergrößert werden. Ein großer Abstand zwischen statischem Führungsring und Anstreifkanten 3 würde zu einem großen Anteil an ungenutzt an den Gasturbinenlaufschaufeln 1 vorbeiströmendem, heißem Arbeitsgas führen und den Wirkungsgrad der Gasturbine herabsetzen.
Die Unterdruckseite 30 weist eine konvexe Form auf. Die Anstreifkante 3 der gegenüberliegenden, konkaven Überdruckseite 31 der Gasturbinenlaufschaufel 1 verläuft dagegen durchgehend von der vordere Kante 32 der Gasturbinenlaufschaufel 1 bis zur hintere Kante 33. Die Gasturbinenlaufschaufel 1 weist weitere Auslaßöffnungen im Flügelbereich 2 auf, von denen beispielhaft Auslaßöffnungen 26, 27 im Bereich der hinteren Kante 33 für den Kühlmittelleckagestrom 21 dargestellt sind.
Die dargestellten Durchgangsöffnungen 6a, 6b sind zylindrisch und besitzen unterschiedliche lichte Weiten v und w. Die Höhe der Durchgangsöffnungen 6a, 6b entspricht der Wandstärke s der Stirnwand 5. Die Durchgangsöffnungen 6b mit der größeren Weite sind gußherstellungsbedingt , was in Figur 6 noch einmal verdeutlicht wird. Sie entstehen durch den Einsatz von großen Sicherungsstiften 18 zum Zusammenhalt des Kernes 14. Die Durchgangsöffnungen 6b sind von Verschlußstiften 7 durchgriffen und verschlossen. Durch diese Durchgangsöffnungen 6b kann somit kein Leckagestrom 21 des Kühlmittelstroms 20 fließen. Die Köpfe 8 der Verschlußstifte 7 liegen an der inneren Seite 28 der Stirnwand 5 auf, während die Füße 9 der Verschlußstif- te 7 an der gegenüberliegenden Außenseite 10 der Stirnwand 5 gefesselt sind.
In den Figuren 5a-d sind verschiedene Möglichkeiten der Fesselung dargestellt. Die Köpfe 8 der Verschlußstifte 7 sind dabei im Hohlraum 4 der Gasturbinenlaufschaufel 1 angeordnet, während die Füße 9 der Verschlußstifte 7 an der Außenseite 10 der Gasturbinenlaufschaufel 1 angeordnet sind. Auf diese Weise sind bei großer Überdeckung der Köpfe 8 der Verschlußstifte 7 die Durchgangsöffnungen 6b beim Betrieb der Turbine aufgrund der angreifenden Fliehkräfte mit ausreichender Dichtigkeit verschlossen.
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf die Gasturbinenlaufschaufel 1 und insbesondere auf den Anstreifkantenbereich 17. Die Gasturbinenlaufschaufel 1 ist wie in Figur 1 oberhalb des
Fußbereichs abgebrochen dargestellt. Die Verschlußstifte 7, die in Figur 1 dargestellt sind, sind in dieser Darstellung vereinfachend weggelassen. Umlaufend sind die Anstreifkanten 3 zu erkennen. In den folgenden Figuren finden sich Längs- schnitte IV-IV vom konvexen Unterdruckbereich 31 bis zum konkaven Überdruckbereich 30 und III-III von der vorderen Kante 32 bis zur hinteren Kante 33.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Gasturbinenlauf- schaufei 1 entlang der Kurve III-III aus Figur 2. Die Hohlräume 4 des Mäanderbereichs 22 des Flügelbereichs 2 weisen jeweils zwei Durchgangsöffnungen 6a, 6b durch die Stirnwand 5 zum Anstreifkantenbereich 17 mit zwei unterschiedlichen lichten Weiten v und w auf. Deutlich zu erkennen ist, daß Flügelbereich 2 und Anstreifkantenbereich 17 der Gasturbinenlaufschaufel 1 einstückig zusammenhängend ausgebildet sind. Dies gewährleistet eine große Haltbarkeit der Gasturbinenlaufschaufel 1 auch bei höchsten Belastungen durch starke Fliehkräfte und hohe Arbeitstemperaturen.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch eine Gasturbinenlaufschau- fei 1 entlang der Achse IV-IV in Figur 2 mit eingesetztem Verschlußstift 7. Der Verschlußstift 7 weist ebenso wie in Figur 3 und Figur 1 einen halbrunden Kopf 8 auf. Der Schaft 45 ist vollständig in die Durchgangsöffnung 6b der Stirnwand 5 eingesetzt und ragt mit seinem Fuß 9 etwas über die Durch- gangsöffnung 6b hinaus. Der überstehende Teil des Verschlußstiftes 7 ist jedoch geringer als die Höhe h der Anstreifkante 3. Auf diese Weise wird der Lauf der Gasturbinenlaufschaufel 1 nicht durch den eingesetzten Verschlußstift 7 gestört .
Das Einsetzen des Verschlußstiftes 7 erfolgt mittels Einführen des Einsatzwerkzeuges 24. Es weist an seinem oberen Teil 26 einen Ringbund 46 zur Halterung des Kopfes 8 des Verschlußstiftes 7 auf. Das Einsatzwerkzeug 24 wird mit einge- setztem Verschlußstift 7 mit dem Fuß 9 voran durch Öffnungen im Fußbereich der Gasturbinenlaufschaufel 1, durch die Hohlräume 4 des Mäandersystems 22 des Flügelbereichs 2 bis zu den Durchgangsöffnungen 6b in der Stirnwand 5 des Anstreifkantenbereichs 17 der Gasturbinenlaufschaufel 1 vorgeschoben und eingesetzt. Daraufhin kann dann der Fuß 9 des Verschlußstifts 7 auf eine der dargestellten Arten gegen ein Herausfallen oder Lösen gesichert werden. Hierbei kann das Werkzeug 24 mit seinem oberen Teil 26 den Verschlußstift 7 unterstützend halten und nach fertiggestellter Sicherung des Fußes 9 des Ver- schlußstifts 7 wieder aus dem Hohlraum 4 und den Öffnungen im Fußbereich der Gasturbinenlaufschaufel 1 entfernt werden. Der Verschlußstift 7 kann zum Beispiel ein Niet sein, wobei eine formschlüssige Verbindung, die durch Kaltnieten erzeugt werden kann, im vorliegenden Fall gegenüber der kraftschlüssigen Verbindung durch das Warmnieten vorzuziehen ist. Grund- sätzlich sollte das empfindliche, einkristalline Gasturbinenlaufschaufelmaterial nicht durch äußere Kräfte beansprucht und nicht zu stark erhitzt werden, weil dann möglicherweise Rekristallisationsvorgänge einsetzen.
Die Stirnwand 5 weist eine definierte Wandstärke s auf. Hierdurch ist es möglich, daß eine maximal zulässige Oberflächentemperatur der Gasturbinenlaufschaufel 1 durch eine vorbestimmte, zur Kühlung notwendige Kühlluftmenge nicht überschritten wird. Die hierzu nowendige Größe und Anzahl der Leckagedurchgangsöffnungen 6a kann der gewünschten Kühlmittelmenge zugeordnet werden. Dies ermöglicht einen geringeren Kühlmittelbedarf und damit einen hohen Wirkungsgrad der Gasturbine. Beim Betrieb der Gasturbine wird der eingesetzte Verschlußstift 7 mit seinem Kopf 8 gegen die Stirnwand 5 ge- drückt und dichtet so die Durchgangsöffnung 6b gegen einen durchlaufenden Kühlmittelstrom 20 ab. Die daneben liegende Leckageöffnung 6a jedoch ist frei und läßt einen bestimmten Kühlmittelleckagestrom 21 hindurch. Bei stillstehender Turbine ist der Verschlußstift 7 durch seinen verbreiterten Fuß 9 gegen Herausfallen gesichert.
In den Figuren 5a-d sind verschiedene Möglichkeiten der Sicherung und Verankerung eines eingesetzten Verschlußstiftes 7 dargestellt. Die Verschlußstifte 7 weisen ein Radialspiel auf. Es kann auch eine Übergangs- oder eventuell eine leichte Übermaßpassung eingestellt werden. Es können sowohl Senknieten wie in Figur 5a als auch Halbrundnieten wie in den Figuren 5b-d verwendet werden. Die Halbrundnieten haben an ihrem Kopf 8 eine große Auflagefläche 42 und stellen damit eine ge- ringe lokale Belastung für das Gasturbinenmaterial in der Umgebung der Durchgangsöffnung 6b dar, wenn bei laufender Turbine Fliehkräfte auf den Niet wirken. Der Kopf 8 des Senk- niets kann bei kegelstumpfartig geformter Durchgangsöffnung 6b in die Stirnwand 5 versenkt werden. Dies verbessert den Sitz des Verschlußstiftes 7. Der Nietkopf 8 bildet in dem Fall wenig Ablagemöglichkeiten für den die Kühlluft 20 be- gleitenden Schmutz dar.
In Figur 5a ist in einer Durchgangsöffnung 6b ein Verschlußstift 7 dargestellt. Der Kopf 8 des Verschlußstiftes 7 liegt im Hohlraum 4 der Gasturbinenlaufschaufel 1 an der Innenseite 28 der Stirnwand 5 und der Fuß 9 des Verschlußstifts 7 an der Außenseite 10 der Gasturbinenlaufschaufel 1 an. Durch die Aufspreizung am Fuß 9 ist der Verschlußstift 7 an der Außenseite 10 der Gasturbinenlaufschaufel 1 unlösbar befestigt. Die Aufspreizung kann in kaltem wie in warmem Zustand durch- geführt werden. Die aufgespreizten Abschnitte 11 des Fußes 9 des Verschlußstifts 7 bilden eine die Stirnwand 5 hintergreifende Verankerung, die ein leichtes Axialspiel aufweisen kann.
Figur 5b zeigt einen Schnitt durch einen Fuß 9 des Verschlußstifts 7, der oberhalb der Außenseite 10 der Gasturbinenlaufschaufel 1 erhitzt wurde. Die am Fuß 9 entstandene Schmelzperle 29 überragt die lichte Weite w der Durchgangsöffnung 6b, wodurch eine Verankerung bewirkt wird. Zur Befestigung des Verschlußstiftes 7 in der Durchgangsöffnung 6b wird erfindungsgemäß nur das Material des Fußes 9 des Verschlußstifts 7, jedoch nicht das der Gasturbinenlaufschaufel 1, das gerichtet erstarrt wurde bzw. eine einkristalline Form aufweist, bis zum Schmelzpunkt des Fußes 9 des Verschlußstifts 7 jedoch nicht über die Rekristallisationstemperatur aufgeheizt. Die dabei entstandene, pilzartig geformte Schmelzperle 29 befindet sich in einem Abstand f zur Stirnwand 5, so daß der Verschlußstift 7 ein Axialspiel aufweist und keine Beeinflussung des Gasturbinenmaterials durch Erwärmung auftritt.
In Figur 5c ist am Rand des Fußes 9 des Verschlußstifts 7 am Schaft 45 ein kleiner Schweißpunkt 43 gesetzt worden, der vorzugsweise die Außenseite 10 der Gasturbinenlaufschaufel 1 nicht bzw. nur sehr wenig berührt. Hierdurch ist sichergestellt, daß das Material der Gasturbinenlaufschaufel 1 durch den Schweißvorgang nicht unnötig aufgeheizt wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Verankerung des Verschlußstiftes 7 ist in Figur 5d dargestellt. Der Fuß 9 des Verschlußstiftes 7 ist mit einem Gewinde 12 versehen und an der Außenseite 10 der Gasturbinenlaufschaufel 1 durch eine hierauf aufge- schraubte Mutter 13 gekontert. Dieser Aufbau kann darüberhin- aus noch durch eine Erhitzung des Fußes 9 und der umgebenden Mutter 13 unlösbar befestigt werden. Alle dargestellten Verschlußstifte 7 sind derart in die Durchgangsöffnungen 6b eingepaßt, daß sie auch unter den Arbeitsbedingungen der Gas- turbinenlaufschaufei 1 spannungsfrei in den gußherstellungs- bedingten Durchgangsöffnungen 6b sitzen. Dies bewirkt, daß keinerlei Spannungen in axialen oder radialen Richtungen auf das Material der Gasturbinenlaufschaufel 1 einwirken. Das Material der Verschlußstifte 7 wird an das Material der Gastur- binenlaufschaufei 1 angepaßt. Bei Gasturbinenlaufschaufeln 1 aus Nickelbasiswerkstoffen bestehen die Verschlußstifte 7 vorzugsweise aus dem gleichen Material oder aus einer Kobaltbasislegierung. Dies verhindert wegen ähnlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten insbesondere eine unterschiedliche Wär e- ausdehnung bei gleicher Temperatur. Die Axialpassungen bleiben erhalten. Darüberhinaus sind die Nickel- und Kobaltbasiswerkstoffe für diesen Einsatz besonders geeignet, weil sie eine große Festigkeit aufweisen und gut schweißbar sind. Die Verschlußstifte 7 sind vorzugsweise rund und weisen Durch- messer d von ca. 3 bis 6 mm auf.
Figur 6 zeigt einen Kern 14 für den Guß einer Gasturbinenlaufschaufel 1 mit Kernteilen 15, 16. Die Kernteile 15, 16 werden durch Sicherungsstifte 18 zusammengehalten. Darge- stellt ist eine paarige Anordnung eines größeren Sicherungsstifts 18 mit Durchmesser u und eines kleineren Sicherungsstifts 18 mit Durchmesser x. Die Sicherungsstifte 18 sind über Anformungen bzw. eingelassene Anker 44 im Kernmaterial, das bevorzugt aus spritzgegossener Keramik besteht, gehalten. Die Kernteile 15 bilden beim Gießprozeß jeweils einen Hohlraum 4 eines Flügelbereichs 2 einer Gasturbinenschaufel 1. Das Kernteil 16 bildet die innere Form des Anstreifkantenbereichs 17. Der freie Bereich 41 um die Sicherungsstifte 18 formt im Gießprozeß die anstreifkantenseitige Stirnwand 5.
Die Sicherungsstifte 18 halten die Kernteile 15, 16 in einem vorbestimmten Abstand, der bei Berücksichtigung der Schrumpfungen nach dem Gießprozeß einer dann erhaltenen Wandstärke s der anstreif antenseitigen Stirnwand 5 entspricht. Der Gießprozeß erfolgt vorzugsweise im Feingießverfahren, zum Beispiel mit einer verlorenen Wachsform. Beim eigentlichen Gieß- prozeß wird vorzugsweise eine Nickelbasislegierung als Material für die Gasturbinenlaufschaufel 1 verwendet. Die Sicherungsstifte 18 sind beim Gießprozeß und dabei insbesondere beim Abkühlen starken Verformungskräften aus verschiedenen Richtungen unterworfen. Wenn die Sicherungsstifte 18 eine nicht ausreichende Dicke u aufweisen, neigen sie zum Bruch. Bei einem Bruch ist das Gießstück Ausschuß.
Durch die Sicherungsstifte 18 werden in der anstreifkantenseitigen Stirnwand 5 Durchgangsöffnungen 6a, 6b freigehalten, die, wie in den obigen Figuren dargestellt, als Leckageöffnungen benutzt oder durch Verschlußstifte 7 verschlossen werden können. Üblicherweise werden die Durchgangsöffnungen 6b, die durch die großen Sicherungsstifte 18 beim Gießen entstehen, durch Einsetzen eines Verschlußstiftes 7 geschlossen. Die Durchmesser x der kleineren Sicherungsstifte 18 werden derart gewählt, daß sie eine gewünschte, vorbestimmte Kühlmittelleckage 21 durch ihre daraus entstehenden Durchgangsöffnungen 6a ermöglichen. Eine andere Möglichkeit ist es, nur die großen Sicherungsstifte 18 zu verwenden und Durchgangs- Öffnungen 6a zur Herstellung einer vorbestimmten Kühlmittelleckage 21 durch Bohrung im fertiggegossenen Gasturbinenlauf- schaufelstück herzustellen oder nur einen Teil der großen Durchgangsöffnungen 6b zu verschließen.

Claims

Patentansprüche
1. Gegossene Gasturbinenlaufschaufel (1) mit einer Außenseite (10) mit einem Flügelbereich (2), der radial außen Anstreif- kanten (3) aufweist und in dem ein Kühlmittel aufnehmender
Hohlraum (4) vorhanden ist, der an eine anstreifkantenseitige Stirnwand (5) vorbestimmter Wandstärke (s) angrenzt, die Durchgangsöffnungen (6a, 6b) aufweist, von denen zumindest eine gußherstellungsbedingt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die gußherstellungsbedingte Durchgangsöffnung (6b) von einem nietartigen Verschlußstift (7) durchgriffen ist, dessen Kopf (8) die Durchgangsöffnung (6b) an der einen Seite (28) der anstreifkantenseitigen Stirnwand (5) überdeckt und dessen Fuß (9) an der gegenüberliegenden Seite (10) der Stirnwand (5) befestigt ist.
2. Gasturbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Durchgangs- Öffnungen (6a, 6b) mit unterschiedlichen lichten Weiten (v,w) vorhanden sind, die bis auf Durchgangsöffnungen (6a) vorbestimmter lichter Weite (v) durch Verschlußstifte (7) verschlossen sind.
3. Gasturbinenlaufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kopf (8) des Verschlußstiftes (7) im Hohlraum (4) und der Fuß (9) des Verschlußstiftes (7) an der Außenseite (10) angeordnet ist.
4. Gasturbinenlaufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Fuß (9) des Verschlußstiftes (7) an der Außenseite (10) unlösbar be- festigt ist.
5. Gasturbinenlaufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Fuß (9) des Verschlußstifts (7) an der Außenseite (10) aufge- spreizt ist und mit den aufgespreizten Abschnitten (11) verankert ist.
6. Gasturbinenlaufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Fuß (9) des Verschlußstiftes (7) radial außenseitig der Außenseite (10) die lichte Weite (w) der Durchgangsöffnung (6b) mittels einer durch Erhitzen entstandenen Schmelzperle (29) überragt und dadurch verankert ist.
7. Gasturbinenlaufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Fuß (9) des Verschlußstiftes (7) mit einem Gewinde (12) versehen ist und an der Außenseite (10) durch eine auf das Gewinde (12) aufgeschraubte Mutter (13) gekontert ist.
8. Gasturbinenlaufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verschlußstift (7) derart in die gußherstellungsbedingten Durchgangsöffnungen (6b) eingepaßt ist, daß er darin während des Betriebs spannungfrei sitzt.
9. Gasturbinenlaufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verschlußstifte (7) Durchmesser (d) von 3 bis 6 mm aufweisen.
10. Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel (1) durch Gießen, insbesondere zur Herstellung einer Gasturbinenlaufschaufel (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, mit einem mindestens zweiteiligen Kern (14), von dessen Kernteilen einer (15) einen Hohlraum (4) eines Flügelbereichs (2) der Gasturbinenlaufschaufel (1) zur Aufnahme von Kühlmittel und der andere Kernteil (16) einen durch eine Stirnwand (5) vorbestimmter Wandstärke vom Hohlraum (4) distanzierten Anstreifkantenbereich (17) bildet, wobei die Teile (15, 16) des Kernes (14) durch Sicherungsstifte (18) zusammengehalten werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in zu- mindest eine durch einen Sicherungsstift (18) zur Abstandserhaltung von Teilen des Kernes (14) beim Gießen entstandene Durchgangsöffnung (6b) ein Verschlußstift (7) eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Sicherungsstifte (18) mit zwei verschiedenen Durchmessern (u,x) verwendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit einem Sicherungsstift (18) eine Durchgangsöffnung (6a) hergestellt wird, die eine vorbestimmte Kühlmittelleckage (21) bewirkt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis
12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Bohrung zur Gewährleistung einer vorbestimmten Kühlmittelleckage (21) in dem Bereich (17) der Anstreifkanten (3) hergestellt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis
13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der in die Durchgangsöffnung (6b) eingesetzte Verschlußstift (7) mit seinem eingesetzten Fuß (9) an der Außenseite (10) der Gasturbinenlaufschaufel (1) angeschweißt wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material des Fußes (9) erhitzt wird und die entstehende Schmelzperle die lichte Weite (w) der Durchgangsöffnung (6b) überragt und so den Verschlußstift (7) verankert.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Erhitzen eines in eine Durchgangsöffnung (6b) der Gasturbinen- laufschaufel (1) eingebrachten Verschlußstiftes (7) das gerichtet erstarrte Gußmaterial der Gasturbinenlaufschaufel (1) lokal nicht über die Rekristallisationstemperatur hinaus aufgeheizt wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der das Kühlmittel aufnehmende Hohlraum (4) in dem Flügelbereich (2) mäanderartig mit mehreren der Stirnwand (5) benachbarten Kanalabschnitten ausgebildet wird, von denen jeder zwei Durchgangsöffnungen (6a, b) aufweist, von denen eine mit einem Verschlußstift (7) verschlossen wird.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005103451A1 (de) * 2004-04-22 2005-11-03 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum verschliessen einer kernaustrittsöffnung einer turbinenschaufel und turbinenschaufel
US7057132B2 (en) 2000-12-27 2006-06-06 Siemens Aktiengesellschaft Method for laser welding a workpiece
WO2012172099A1 (de) 2011-06-17 2012-12-20 Alstom Technology Ltd. Gegossene turbinenschaufel
US20200080428A1 (en) * 2018-09-12 2020-03-12 United Technologies Corporation Dirt funnel squealer purges
US11118462B2 (en) * 2019-01-24 2021-09-14 Pratt & Whitney Canada Corp. Blade tip pocket rib
US11371359B2 (en) 2020-11-26 2022-06-28 Pratt & Whitney Canada Corp. Turbine blade for a gas turbine engine

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3732031A (en) * 1970-06-17 1973-05-08 Gen Motors Corp Cooled airfoil
US3761201A (en) * 1969-04-23 1973-09-25 Avco Corp Hollow turbine blade having diffusion bonded therein
US3899267A (en) 1973-04-27 1975-08-12 Gen Electric Turbomachinery blade tip cap configuration
US4010531A (en) 1975-09-02 1977-03-08 General Electric Company Tip cap apparatus and method of installation
US4136516A (en) * 1977-06-03 1979-01-30 General Electric Company Gas turbine with secondary cooling means
US4456428A (en) * 1979-10-26 1984-06-26 S.N.E.C.M.A. Apparatus for cooling turbine blades
US4761116A (en) 1987-05-11 1988-08-02 General Electric Company Turbine blade with tip vent
EP0340149B1 (de) 1988-04-25 1993-05-19 United Technologies Corporation Staubabscheider für eine luftgekühlte Schaufel

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3761201A (en) * 1969-04-23 1973-09-25 Avco Corp Hollow turbine blade having diffusion bonded therein
US3732031A (en) * 1970-06-17 1973-05-08 Gen Motors Corp Cooled airfoil
US3899267A (en) 1973-04-27 1975-08-12 Gen Electric Turbomachinery blade tip cap configuration
US4010531A (en) 1975-09-02 1977-03-08 General Electric Company Tip cap apparatus and method of installation
US4136516A (en) * 1977-06-03 1979-01-30 General Electric Company Gas turbine with secondary cooling means
US4456428A (en) * 1979-10-26 1984-06-26 S.N.E.C.M.A. Apparatus for cooling turbine blades
US4761116A (en) 1987-05-11 1988-08-02 General Electric Company Turbine blade with tip vent
EP0340149B1 (de) 1988-04-25 1993-05-19 United Technologies Corporation Staubabscheider für eine luftgekühlte Schaufel

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7057132B2 (en) 2000-12-27 2006-06-06 Siemens Aktiengesellschaft Method for laser welding a workpiece
WO2005103451A1 (de) * 2004-04-22 2005-11-03 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum verschliessen einer kernaustrittsöffnung einer turbinenschaufel und turbinenschaufel
WO2012172099A1 (de) 2011-06-17 2012-12-20 Alstom Technology Ltd. Gegossene turbinenschaufel
US20200080428A1 (en) * 2018-09-12 2020-03-12 United Technologies Corporation Dirt funnel squealer purges
US10961854B2 (en) * 2018-09-12 2021-03-30 Raytheon Technologies Corporation Dirt funnel squealer purges
US11118462B2 (en) * 2019-01-24 2021-09-14 Pratt & Whitney Canada Corp. Blade tip pocket rib
US11371359B2 (en) 2020-11-26 2022-06-28 Pratt & Whitney Canada Corp. Turbine blade for a gas turbine engine

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