WO2002022291A1

WO2002022291A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer schaufel für eine turbine sowie entsprechend hergestellte schaufel

Info

Publication number: WO2002022291A1
Application number: PCT/EP2001/010600
Authority: WO
Inventors: Peter Tiemann
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2002-03-21
Also published as: US20030047298A1; DE50013334D1; CN1213823C; JP2004508201A; JP4350372B2; US6805535B2; EP1188500A1; CN1392809A; EP1188500B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel (13; 14) mit zwei Außenwänden (17, 18) und mindestens einem zwischen den Außenwänden (17, 18) angeordneten Hohlraum (24; 25; 26; 27) für eine Turbine (10), mit einer Außenform (30) und mehreren Kernen (34, 35) zur Ausbildung der Außenwände (17, 18) und des mindestens eines Hohlraums (24; 25; 26; 27) der Schaufel (13, 14). Mindestens einer der Hohlräume (26; 27) ist durch einen Mittelsteg (28) in zwei Kanäle (26a, 26b; 27a, 27b) aufgeteilt. Der eine Kanal (26a; 27a) ist zwischen der ersten Außenwand (17) und dem Mittelsteg (28) und der andere Kanal (26b; 27b) zwischen dem Mittelsteg (28) und der zweiten Außenwand (18) angeordnet. Es werden entsprechend zwei voneinander getrennte Kerne (34, 35) verwendet. Hierdurch kann eine Verringerung der Wandstärke (d) der Außenwände (17, 18) auf einem einfachen und kostengünstigen Weg erreicht werden.

Description

Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Schaufel für eine Turbine sowie entsprechend hergestellte Schaufel

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schaufel mit zwei Außenwänden und mindestens einem zwischen den Außenwänden angeordneten Hohlraum für eine Turbine, mit einer Außenform und mehreren Kernen zur Ausbildung der Außenwände und des mindestens eines Hohlraums.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel mit zwei Außenwänden und mindestens einem zwischen den Außenwänden angeordneten Hohlraum für eine Turbine, wobei eine Außenform und mehrere Kerne zur Ausbildung der Außenwände und des mindestens eines Hohlraums bereitgestellt werden.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Schaufel für eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, mit zwei Außenwänden und mindestens einem zwischen den Außenwänden angeordneten Hohlraum.

Schaufeln, insbesondere Schaufeln für Gasturbinen, müssen aufgrund der hohen Betriebstemperaturen von innen gekühlt werden. Die Schaufeln weisen zu diesem Zweck einen oder mehrere Hohlräume auf. Bei den bisher bekannten Schaufeln erstrecken sich diese Hohlräume von der einen Außenwand der Schaufel bis zur anderen Außenwand. Zur Ausbildung jedes Hohlraums ist ein Abschnitt eines Kerns vorgesehen. Die einzelnen Abschnitte sind miteinander verbunden. Der Kern wird in einer geeigneten Aufnahme einer Außenform zur Herstellung der Schaufel in einem Guß erfahren aufgenommen. Die Länge des Kerns kann hierbei vergleichsweise große Werte annehmen. ω CΛJ NJ ro

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Außenwände werden daher zumindest bereichsweise unabhängig voneinander ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die zur Ausbildung der Kanäle dienenden Abschnitte jedes Kerns derart abzustützen, dass eine minimale Wandstärke gewährleistet wird. Hierfür werden vorteilhaft Vorsprünge verwendet, die sich an der Innenseite der Außenform abstützen.

Bei der Herstellung der Kerne ist nur noch die der Innenseite der Außenform zugewandte Außenseite der Abschnitte kritisch für die Wandstärke der Außenwände. Insbesondere die dem Mittelsteg zugeordnete Seite der Abschnitte kann mit vergleichsweise groben Toleranzen beaufschlagt werden. Hierdurch kann die Fertigungsgenauigkeit der für die

Wandstärke der Außenwände maßgebliche Außenseite der Kerne wesentlich verbessert werden. Sämtliche Toleranzen werden in den Bereich des Mittelstegs verlagert. Nachteile für die Kühlwirkung entstehen hierdurch nicht, da der Mittelsteg nicht direkt mit dem heißen, die Turbine durchströmenden Fluid beaufschlagt wird. Weiter wird der Mittelsteg auf beiden Seiten durch die Kanäle gekühlt. Der Mittelsteg stellt weiter bei geringen Wandstärken der Außenwände die erforderliche Festigkeit für die Schaufel bereit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor .

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kerne zur Abstützung an der Außenform mit Vorsprüngen versehen. Sie werden dann vorteilhaft während des Gießens aneinander abgestützt und gegen die Innenseite der Außenform gedrückt. Die Abstützung kann mittels starrer, insbesondere keilförmiger, oder elastischer Abstandshalter erfolgen.

Bei diesem Vorgehen wird eine minimale Wandstärke für die Außenwände zuverlässig eingehalten. Verschiebungen der Kerne co co M > P¹ . cπ o Cπ O cπ o cπ ω

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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Hohlraum an einer Eintrittskante und/oder einer Austrittskante der Schaufel frei von dem Mittelsteg. Grund hierfür ist, dass im Bereich der Eintrittskante eine erhöhte Kühlwirkung erforderlich ist. Im Einmündungsbereich des Mittelstegs wäre die Kühlwirkung beeinträchtigt. Dies gilt sinngemäß auch für die Austrittskante.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Wandstärke des Mittelstegs größer als die Wandstärke der Außenwände. Die erforderliche Festigkeit der Schaufel wird dann von dem Mittelsteg und gegebenenfalls den Rippen gewährleistet. Die Wandstärke der Außenwände kann entsprechend verringert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines

Ausführungsbeispiels näher beschrieben, das in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt ist. Dabei zeigt:

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Gasturbine;

Figur 2 einen Querschnitt durch eine Laufschaufel der

Turbine;

Figur 3 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung zur Herstellung der

Schaufel;

Figur 4 eine schematische Seitenansicht der Lagerung der Kerne in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 5 eine Ansicht ähnlich Figur 4 in weiterer Ausgestaltung; und

Figur 6 eine Draufsicht auf Figur 5, co co f ro h-¹ P¹ π o cπ o Cπ o Cπ tr S! σ £ m > tr S 00 w tc d C O > ⁱx) > tr > σ P¹ DJ: CL "^ tr < P- O •n ir> Q Q ^

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Laufschaufei 14 angeordnet. Der Mittelsteg 28 stellt zusammen mit den Rippen 19, 20, 21 die für den Betrieb erforderliche Festigkeit der Laufschaufei 14 bereit. Die Außenwände 17, 18 können daher dünn ausgebildet werden.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 29 zur Herstellung einer Schaufel 13, 14. Es ist eine Außenform 30 mit zwei Formteilen 31, 32 vorgesehen, die gemäß Pfeilrichtung 33 voneinander entfernt und aufeinander zu bewegt werden können. Zwischen die beiden Formteile 31, 32 sind zwei getrennt voneinander ausgebildete Kerne 34, 35 eingesetzt.^' Der erste Kern 34 weist drei Abschnitte 3βa, 37a, 38a auf. Die Abschnitte 3βa, 37a dienen zur Ausbildung der Kanäle 26a, 27a. Der Abschnitt 38a bildet den Hohlraum 24 im Bereich der Eintrittskante 22.

Der zweite Kern 35 ist im wesentlichen ähnlich mit Abschnitten 36b, 37b, 38b ausgebildet. Auch hier sind zwei Abschnitte 36b, 37b zum Ausbilden der Kanäle 26b, 27b vorgesehen. Der Hohlraum 25 im Bereich der Austrittskante 23 wird durch den Abschnitt 38b gebildet. Die einzelnen Abschnitte 36ab, 37ab, 38ab der Kerne 34, 35 sind miteinander verbunden.

Die Abschnitte 36ab, 37ab zur Bildung der Kanäle 26a, 26b, 27a, 27b weisen Vorsprünge 39 zur Abstützung an einer Innenseite 40 der Außenform 30 auf. Die Vorsprünge 39 verjüngen sich und sind konisch ausgebildet. Sie stellen den Minimalabstand zwischen der Innenseite 40 der Außenform und einer jeweils zugeordneten Außenseite 46a, 47a, 46b, 47b der Abschnitte 36a, 36b, 37a, 37b bereit. Dieser Abstand entspricht im wesentlichen der Wandstärke d der Außenwände 17, 18. Die Wandstärke D des Mittelstegs 28 wird durch den Abstand zwischen den Abschnitten 36a, 37a und den Abschnitten 36b, 37b festgelegt. Für die Herstellung müssen lediglich die Außenseiten 46a, 47a, 46b, 47b der Abschnitte 36a, 37a, 36b, 37b sowie die Außenseiten 48a, 48b der Abschnitte 38a, 38b hochgenau bearbeitet werden. Die weiteren Oberflächen der Kerne 34, 35 können vergleichsweise hohe Toleranzen aufweisen, da sie für die Festlegung der Wandstärke d der Außenwände 17, 18 nicht von Bedeutung sind.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Lagerung der Kerne 34, 35 in der Vorrichtung 29. Jeder der Kerne 34, 35 weist an beiden Enden Vorsprünge 41, 42 zur Befestigung in einer in Strichlinien dargestellten Aufnahme 43 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 29 auf. Die beiden Kerne 34, 35 werden über Abstandshalter 44, 45 aneinander abgestützt. Die Vorsprünge 39 werden hierdurch gegen die Innenseite 40 der Außenform 30 gedrückt. In Figur 4 ist die Verwendung starrer Abstandshalter 44 und in Figur 5 die Verwendung elastischer, insbesondere federnd ausgebildeter Abstandshalter 45 dargestellt .

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit die minimale Wandstärke d der Außenwände 17, 18 dadurch sichergestellt, dass die Kerne 34, 35 sich mit den Vorsprüngen 39 an der Innenseite 40 abstützen. Aufgrund der Verjüngung der Vorsprünge 39 entsteht nur eine punktförmige Öffnung in den Außenwänden 17, 18 der fertiggestellten Schaufel 13, 14. Ein Verschieben der Kerne 34, 35 aufeinander zu wird durch die Abstandshalter 44, 45 verhindert. Es ist somit sichergestellt, dass die gewünschte Wandstärke d der Außenwände 17, 18 zuverlässig eingehalten wird. Die bisher auftretenden Toleranzen der Wandstärke d können wesentlich verringert werden. Die Wandstärke d kann daher von vornherein konstruktiv bereits gegenüber den bekannten Schaufeln 13, 14 und Vorrichtungen 29 verringert werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wandstärken d der Außenwände 17, 18 nicht mehr voneinander abhängen. Eine Verschiebung oder Verformung des Kerns 34 führt nicht zu einer Änderung der Wandstärke d der Außenwand 18. Auch eine Verschiebung oder Verformung des Kerns 35 führt nicht zu einer Änderung der Wandstärke d der Außenwand 17.

Figur 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf Figur 5. Die einzelnen Abschnitte 36a, 36b, 37a, 37b, 38a, 38b der Kerne 34 35 sind wie dargestellt starr miteinander verbunden. Die Kerne 34, 35 sind über die elastischen Abstandshalter 45 aneinander abgestützt und werden gegen die Innenseite 40 gedrückt. Falls mehrere Abstandshalter 45 verteilt über die gesamte Länge der Kerne 34, 35 eingesetzt werden, können Verschiebungen und Verformungen während des Gießens wesentlich reduziert werden.

Zur Herstellung der Schaufel 13, 14 werden zunächst die gewünschten Kerne 34,35 in einer geeigneten, nicht dargestellten Form vorgeformt und anschließend gebrannt. Sie werden danach in die bereitgestellte Außenform 30 eingesetzt. Die Vorsprünge 39 der Abschnitte 36a, 36b, 37a, 37b der beiden Kerne 34, 35 werden zur Anlage an der Innenseite 40 der Außenform 30 gebracht. Zu ^'diesem Zweck werden entweder starre oder elastische Abstandshalter 44, 45 zwischen die beiden Kerne 34, 35 eingebracht. Danach werden die beiden Kerne 34, 35 in den Aufnahmen 43 fixiert.

In den Zwischenraum zwischen die Kerne 34, 35 und die Innenseite 40 der Außenform 30 wird ein geeignetes Material, beispielsweise Wachs eingegossen. Nach dem Erstarren des Wachses wird die Außenform entfernt und der Wachskörper mit einer Schutzschicht versehen. Diese Schutzschicht kann, ebenso wie die Kerne 34, 35, aus einem keramischen Material bestehen.

Das mit der Schutzschicht versehene Wachswerkzeug wird erneut gebrannt. Anschließend wird in den Zwischenraum zwischen der Schutzschicht und den Kernen 34, 35 das gießfähige Material für die Schaufel 13, 14 eingebracht. Nach dem Erstarren dieses Materials werden die Schutzschicht und die Kerne 34, 35 auf geeignete Weise entfernt, beispielsweise mit einer Säure oder Lauge ausgespült.

Die bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorliegenden Fertigungs- und Montagetoleranzen bei der Herstellung und Fixierung der Kerne 34, 35, des Wachswerkzeugs und der Schutzschicht können wesentlich verringert werden. Die Wandstärke der Außenwände 17, 18 der Schaufel 13, 14 kann daher deutlich reduziert werden. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Kühlwirkung. Die erforderliche Festigkeit der Schaufel 13, 14 wird durch den Mittelsteg 28 gewährleistet.

Claims

Patentansprüche.

1. Vorrichtung zur Herstellung einer Schaufel (13; 14) mit zwei Außenwänden (17, 18) und mindestens einem zwischen den Außenwänden (17, 18) angeordneten Hohlraum (24; 25; 26; 27) für eine Turbine (10) , insbesondere einer Schaufel nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit einer Außenform (30) und mehreren Kernen (34, 35) zur Ausbildung der Außenwände (17, 18) und des mindestens eines Hohlraums (24; 25; 26; 27), d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , dass jeder der Kerne (34, 35) mindestens einen Abschnitt (36a; 36b; 37a; 37b) aufweist, der sich von einer zugeordneten Außenwand (17; 18) bis zu einem Mittelsteg (28) der Schaufel (13; 14) erstreckt, ohne an der Ausbildung der anderen Außenwand (18; 17) beteiligt zu sein.

2. Vorrichtung 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 die Kerne (34, 35) zur Abstützung an der Außenform (30) mit Vorsprüngen (39) versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorsprünge (39) sich ausgehend von den Kernen (34, 35) verjüngen, insbesondere konisch ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kerne (34, 35) mittels starrer, insbesondere keilförmiger, oder elastischer Abstandshalter (44; 45) aneinander abgestützt sind.

5. Vorrichtung nach einem 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 die Kerne (34, 35) an einem oder beiden Enden in einer Aufnahme (43) der Außenform (30) in Längsrichtung der Schaufel (13; 14) fixiert sind.

6. ^• Verfahren zur Herstellung einer Schaufel (13; 14) mit zwei Außenwänden (17, 18) und mindestens einem zwischen den Außenwänden (17, 18) angeordneten Hohlraum (24; 25; 26; 27) für eine Turbine (10), insbesondere einer Schaufel nach einem der Ansprüche _,10 bis 13, wobei eine Außenform (30) und mehrere Kerne (34, 35) zur Ausbildung der Außenwände (17, 18) und des mindestens eines Hohlraums (24; 25; 26; 27) bereitgestellt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Abschnitt (36a; 36b; 37a; 37b) jedes Kerns (34, 35) derart abgestützt wird, dass der Abstand zwischen der Außenseite (46a; 46b) des Abschnitts (36a; 36b) des einen Kerns (34) und der Innenseite ^■ (40) der Außenform (30) unabhängig von dem Abstand zwischen der Außenseite (47a; 47b) des Abschnitts (37a; 37b) des anderen Kerns (35) und der Innenseite (40) der Außenform (30) ist, so dass Wandstärken (d) der beiden Außenwände (17, 18) zumindest im Bereich der Abschnitte (36a; 36b; 37a; 37b) unabhängig voneinander ausgebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Kerne (34, 35) über Vorsprünge (39) an der Innenseite (40) der Außenform (30) abgestützt werden, um eine minimale Wandstärke (d) der Außenwände (17, 18) sicherzustellen.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Kerne (34, 35) aneinander abgestützt und gegen die Innenseite (40) der Außenform (30) gedrückt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Kerne (34, 35) mittels starrer oder elastischer Abstandshalter (44; 45) aneinander abgestützt werden.

10. Schaufel für eine Turbine. (10), insbesondere eine Gasturbine, mit zwei Außenwänden (17, 18) und mindestens einem zwischen den Außenwänden (17, 18) angeordneten Hohlraum (24; 25; 26; 27), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Hohlraum (25;^' 27) durch einen Mittelsteg (28) in zwei Kanäle (26a, 26b; 27a, 27b) aufgeteilt ist, wobei der eine Kanal (26a; 27a) zwischen der einen Außenwand (17) und dem Mittelsteg (28) und der andere Kanal (26b; 27b) zwischen dem Mittelsteg (28) und der anderen Außenwand (18) angeordnet ist.

11. Schaufel 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 die Außenwände (17, 18) zur Bildung mehrerer Hohlräume (24, 25, 26, 27) über mehrere Rippen (19, 20, 21) miteinander verbunden sind.

12. Schaufel nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Hohlraum (24; 25) an einer Eintrittskante (22) und/oder einer Austrittskante (23) der Schaufel (13; 14) frei von dem Mittelsteg (28) ist.

13. Schaufel nach einem 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 die Wandstärke (D) des Mittelstegs (28) größer ist als die Wandstärke (d) der Außenwände (17, 18) .