WO2005008032A1 - Leichtbau-schaufel für eine gasturbine sowie verfahren zur herstlellung derselben - Google Patents

Leichtbau-schaufel für eine gasturbine sowie verfahren zur herstlellung derselben Download PDF

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recesses
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guide vane
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Ulrich Haid
Claus Müller
Christian Scherer
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F05D2230/22—Manufacture essentially without removing material by sintering

Definitions

  • the invention relates to a component, namely a guide blade or a guide blade segment, for a gas turbine according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a component according to the preamble of patent claim 10.
  • the most important materials used today for aircraft engines or other gas turbines are titanium alloys, nickel alloys (also known as super alloys) and high-strength steels.
  • the high-strength steels are used for shaft parts, gear parts, compressor housings and turbine housings. Titanium alloys are typical materials for compressor parts. Nickel alloys are suitable for the hot parts of the aircraft engine.
  • the guide vanes comprise an outer shroud, an airfoil and an inner shroud, the shrouds extending essentially around the longitudinal axis of the gas turbine and the airfoils being arranged essentially in the radial direction.
  • Such blades are known for example from DE 199 41 133 C1.
  • the present invention is based on the problem of proposing a new component, namely a new guide vane or a new guide vane segment, for a gas turbine and a method for producing the same.
  • the mass and the cross section of the or each shroud are optimized with regard to the manufacture of the guide vane or the guide vane segment by means of powder metallurgical injection molding, the guide vane or the guide vane segment being produced by powder metallurgical injection molding. It is therefore within the meaning of the present invention to produce the guide vanes, in particular the guide vanes of a compressor of an aircraft engine, by means of powder-metallurgical injection molding, that is to say using MIM technology, and to optimize the design of the guide vanes with regard to the production by means of powder-metallurgical injection molding.
  • the or each shroud has a structure that is minimized in mass and maximized in rigidity.
  • recesses are preferably made in an outward-facing surface of the or each shroud, preferably at least the outer shroud, to minimize mass, with limitations of the recesses optimizing the rigidity of the or each shroud.
  • the recesses are in the form of pockets and the boundaries arranged between the recesses are in the form of webs, the pockets and webs forming ribbing of any geometry, and the Bags are preferably round and / or rectangular and / or triangular and / or hexagonal.
  • the recesses are designed as pockets which extend in the longitudinal direction of the shroud and the boundaries are designed as webs which are arranged between the pockets and also run in the longitudinal direction of the shroud.
  • the recesses are designed as approximately rectangular pockets and the boundaries as webs extending between the pockets, in the longitudinal direction of the shroud and in the transverse direction of the shroud.
  • the recesses are designed as approximately triangular pockets and the boundaries as webs extending between the pockets in the diagonal direction of the shroud.
  • FIG. 1 a section of a guide vane according to the invention according to a first exemplary embodiment of the invention in a schematic, perspective view from above onto an outer shroud of the guide vane; 2: a section of a guide vane according to the invention according to a second exemplary embodiment of the invention in a view analogous to FIG. 1;
  • FIGS. 1 and 2 a section of a guide vane according to the invention according to a third exemplary embodiment of the invention in a view analogous to FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a guide vane according to the invention
  • FIGS. 1 and 2 shows a guide vane according to the invention according to a further exemplary embodiment of the invention in a view analogous to FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 6 a guide vane segment according to the invention in a view analogous to FIG. 5;
  • Fig. 7 a block diagram to illustrate the individual process steps in powder metallurgical injection molding.
  • FIGS. 1 to 7. show schematic views of guide vanes according to the invention. 7 illustrates the individual process steps for producing the guide vanes according to the invention.
  • Fig. 1 shows a guide vane according to the invention in a detail, wherein in Fig. 1 an airfoil 11 and an outer shroud 12 of the guide vane 10 are shown. In addition to the outer shroud 12 shown, an inner shroud may also be present.
  • the design of the outer shroud 12, that is to say the mass and the cross section thereof, is optimized with regard to the manufacture of the guide vane 10 by powder metallurgical injection molding.
  • the mass or mass division and the cross section or the cross-sectional distribution of the outer shroud 12 adapted to the corresponding sizes of the airfoil 11.
  • a uniform cross-sectional distribution and mass distribution in the entire component to be produced, that is to say in the entire guide vane 10, is particularly advantageous in the case of powder-metallurgical injection molding.
  • a different mass distribution and cross-sectional distribution can lead to distortion or crack formation on the component to be produced during powder-metallurgical injection molding, in particular when sintering and cooling a component during powder-metallurgical injection molding. This is avoided by the present invention.
  • the uniform cross-sectional distribution and mass distribution in the entire component to be produced can be achieved in that the thickness or thickness of the or each shroud corresponds approximately to the thickness or thickness of the airfoil.
  • recesses 14 are made in an outwardly facing surface 15 of the outer shroud 12.
  • the recesses 14 are designed as pockets or notches or grooves extending in the longitudinal direction of the outer shroud 12.
  • the mass of the outer shroud 12 can be minimized by introducing the recesses 14 into the surface 15 of the outer shroud 12.
  • Limits 16 are arranged between the recesses 14 extending in the longitudinal direction of the outer shroud 12.
  • the boundaries 16 are designed as webs also running in the longitudinal direction of the shroud. The boundaries 16 or the webs form a ribbing and optimize or maximize the strength structure of the outer shroud 12.
  • the recesses and the boundaries 16 can, in addition to the central section 13, also be divided into the two lateral sections 17, 18 of the outer shroud 12 extend. If the guide vane 10 also has an inner shroud in addition to the outer shroud 12, this can be designed analogously to the outer shroud 12.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment according to the invention, namely a guide vane 19, in a view analogous to FIG. 1.
  • the guide vane 19 according to FIG. in turn fits over an airfoil 20 and an outer shroud 21.
  • recesses 23 are also made in an outwardly directed surface 24 of the outer shroud 21 in the exemplary embodiment in FIG. 2.
  • the recesses 23 in turn serve to reduce the mass.
  • Limits 25, which serve to maximize rigidity, run between the recesses 23.
  • the recesses 23 are designed as triangular recesses or pockets. The boundaries 25, which delimit the recesses 23 from one another, are formed in the exemplary embodiment in FIG.
  • the recesses 23 and the webs 25 can extend not only in the central section 22 of the outer shroud, but rather also in the area of the lateral sections 27, 28.
  • the guide vane 19 an inner shroud comprises, the same can be formed in analogy to the outer shroud 21.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a guide vane 29 according to the invention.
  • the guide vane according to FIG. 3 also includes an airfoil 30 and an outer shroud 31.
  • recesses 33 are made, the recesses 33 being in an outward direction directed surface 34 of the outer shroud 31 are introduced.
  • the recesses 33 in the exemplary embodiment according to FIG. 3 are not only introduced into the central section 32 of the outer cover tape 31, but rather also into the lateral sections 35 and 36 of the same.
  • the recesses 33 are designed as approximately rectangular pockets or notches which are delimited on the one hand by delimitations 37 extending in the longitudinal direction of the shroud and on the other hand by delimitations 38 extending in the transverse direction of the shroud.
  • the boundaries 37 and 38 form a grid-like ribbing and in turn serve to maximize the strength of the outer shroud.
  • the recesses 33 which are designed as rectangular notches, form a pocket structure on the outward-facing surface 34 of the outer shroud 31, which extends both over the central section 32 and the lateral sections 35 and 36 of the outer shroud 31. If the guide vane 29 has an inner shroud, it can be designed analogously to the outer shroud.
  • outer shroud of the guide vanes has a structure which is minimized in mass and maximized in rigidity.
  • recesses or pockets are made in the outer shroud.
  • the rigidity is maximized by boundaries extending between the recesses or pockets, which are designed as webs.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a guide vane 39 according to the invention.
  • the guide vane 39 according to FIG. 4 in turn has an airfoil 40, an outer shroud 41 and an inner shroud 42.
  • Outer shroud 41 and inner shroud 42 have a mass-minimized and steep ability-maximized structure.
  • recesses 43 are indicated in FIG. 4 in the area of the inner cover tape 42.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a guide vane 52 according to the invention.
  • the guide vane 52 according to FIG. 5 in turn has a vane blade 53, an outer shroud 54 and an inner shroud 55.
  • outer shroud 54 and inner shroud 54 have a mass-minimized and steep ability-maximized structure.
  • This structure of the embodiment according to FIG. 5 corresponds essentially to the structure of the embodiment according to FIG. 2. To avoid repetitions, the same reference numbers are therefore used for the same elements.
  • recesses 23 are made in an outwardly directed surface 24 of the outer shroud 54, which in turn are designed as triangular recesses or pockets. 5, in contrast to the embodiment, Example of FIG.
  • a boundary 25 extending in the diagonal direction of the outer shroud 54 which delimits the two recesses 23 from one another.
  • lateral webs or boundaries 26 are present which extend in the longitudinal direction of the outer shroud 54 and delimit the two recesses 23 on a longitudinal edge of the outer shroud 54.
  • one of the two recesses 23 extends not only in the central section 22 of the outer cover band, but rather also in the region of the adjacent, lateral section 27.
  • the inner cover band 55 can be designed analogously to the outer cover band 21.
  • guide vane segments which comprise several such guide vanes 10, 19, 29, 39 and 52, are constructed according to the same principle according to the invention.
  • Several guide vanes or guide vane segments form a closed guide vane ring.
  • 6 shows a guide vane segment 56 with four guide vanes 52, which are designed in the sense of FIG. 5.
  • the guide vanes 10, 19, 29, 39 or 52 or the guide vane segment 56 by powder-metallurgical injection molding.
  • Powder-metallurgical injection molding is also known as the metal injection molding (MIM) process.
  • MIM metal injection molding
  • the guide vanes 10, 19, 29, 39 and 52 are in the region of the or each shroud in the sense of the invention so minimized in mass or stiffness maximized that there is a particularly advantageous producibility by powder metallurgical injection molding.
  • the cross-section and the mass of the or each shroud are in fact matched to the mass and the cross-section of the or each airfoil.
  • a metal powder, hard metal powder or ceramic powder is provided in a first step 44.
  • a binder and optionally a plasticizer are provided in a second step 45.
  • the metal powder provided in method step 44 and the binder and plasticizer provided in method step 45 are mixed and homogenized in method step 46 so that a homogeneous mass is formed.
  • the volume proportion of the metal powder in the homogeneous mass is preferably between 50% and 70%.
  • the proportion of binder and plasticizer in the homogeneous mass therefore fluctuates approximately between 30% and 50%.
  • This homogeneous mass of metal powder, binder and plasticizer is further processed in the sense of step 47 by injection molding. Moldings are manufactured during injection molding. These moldings already have all the typical features of the guide vanes 10, 19, 29, 39 and 52 to be produced. In particular, the shaped bodies have the geometric shape of the guide vanes 10, 19, 29, 39 and 52 to be produced. They therefore already have the structure which is minimized in mass and maximized in rigidity in the region of the or each shroud. However, they have a volume increased by the binder content and plasticizer content.
  • Process step 48 the binder and the plasticizer are expelled from the moldings.
  • Process step 48 can also be referred to as the final binding process.
  • Binding agents and plasticizers can be driven out in different ways. This is usually done by fractional, thermal decomposition or evaporation. Another possibility is to suck out the thermally liquefied binding and plasticizing agents by capillary forces, by sublimation or by solvents.
  • the shaped bodies are sintered in the sense of step 49.
  • the shaped bodies are compressed to the components, namely to the guide vanes 10, 19, 29, 39 and 52, with the final geometric properties.
  • the shaped bodies become smaller, the dimensions of the shaped bodies having to shrink uniformly in all three spatial directions.
  • the linear shrinkage is between 10% and 20% depending on the binder content and plasticizer content.
  • the sintering can be carried out under various protective gases or under vacuum. After sintering, the finished guide vane 10, 19, 29, 39 and 52 is present, which is represented by step 50 in FIG. 1.
  • step 49 the component can still be subjected to a finishing process in the sense of step 51.
  • the finishing process is optional.
  • a ready-to-install guide vane 10, 19, 29, 39 and 52 can also be present immediately after sintering.
  • Guide vane segments comprising a plurality of guide vanes can also be produced in the above manner.
  • molded bodies for a guide vane segment comprising a plurality of guide vanes can be produced in this case in step 47 by injection molding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, nämlich Leitschaufel oder Leitschaufelsegment, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk. Eine Leitschaufel (10) umfasst mit mindestens ein Schaufelblatt (11) und mindestens ein Deckband (12). Einfindungsgemäß sind die Masse und der Querschnitt des oder jeden Deckbands (12) im Hinblick auf eine Herstellung der Leitschaufel durch pulvermetallurgisches Spritzgießen optimiert, wobei die Leitschaufel oder das Leitschaufelsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt sind.

Description

LEICHTBAU-SCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE SOWIE VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, nämlich eine Leitschaufel oder ein Leitschaufelsegment, für eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugzeugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugzeugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugzeugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierun- gen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugzeugtriebwerks geeignet.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Fertigung von Schaufeln oder Schaufelsegmenten, insbesondere von Leitschaufeln oder Leitschaufelsegmenten, für Flugzeugtriebwerke bekannt. Als aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren für die Fertigung von Schaufeln, insbesondere Leitschaufeln, seien hier das Schmieden und Feingießen genannt. Leitschaufeln im Verdichterbereich sind üblicherweise Schmiedeteile, während die Leitschaufeln der Turbine in der Regel Feingussteile sind. Auch ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Schaufeln mithilfe des ECM-Verfahrens, einer sogenannten elektrochemischen Bearbeitung, herzustellen. Die Leitschaufeln bzw. Leitschaufelsegmente bilden Leitschaufelkränze und sind integrale Bauteile von Gasturbinen. Die Leitschaufeln umfassen ein Außendeckband, ein Schaufelblatt und ein Innendeckband, wobei die Deckbänder sich im wesentlichen um die Längsachse der Gasturbine herum erstrecken und wobei die Schaufelblätter im wesentlichen in Radialrichtung angeordnet sind. Derartige Schaufelblätter sind zum Beispiel aus der DE 199 41 133 C1 bekannt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Bauteil, nämlich eine neuartige Leitschaufel bzw. ein neuartiges Leitschaufelsegment, für eine Gasturbine und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzuschlagen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Bauteil durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß sind die Masse und der Querschnitt des oder jeden Deckbands im Hinblick auf eine Herstellung der Leitschaufel oder des Leitschaufelsegments durch pulvermetallurgisches Spritzgießen optimiert, wobei die Leitschaufel oder das Leitschaufelsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt sind. Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die Leitschaufeln, insbesondere die Leitschaufeln eines Verdichters eines Flugzeugtriebwerks, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen, also in MIM-Technik, herzustellen, und das Design der Leitschaufeln im Hinblick auf die Herstellung durch pulvermetallurgisches Spritzgießen zu optimieren.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das oder jedes Deckband eine masseminimierte sowie steifigkeitsmaximierte Struktur auf. Hierzu sind vorzugsweise in eine nach außengerichtete Oberfläche des oder jeden Deckbands, vorzugsweise zumindest des Außendeckbands, zur Masseminimierung Ausnehmungen eingebracht sind, wobei Begrenzungen der Ausnehmungen die Steifigkeit des oder jeden Deckbands optimieren. Die Ausnehmungen sind als Taschen und die zwischen den Ausnehmungen angeordneten Begrenzungen sind als Stege ausgebildet, wobei die Taschen und Stege eine Verrippung beliebiger Geometrie bilden, und wobei die Taschen vorzugsweise rund und/oder rechteckig und/oder dreieckig und/oder sechseckig ausgebildet sind.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmungen als sich in Längsrichtung des Deckbands erstreckende Taschen und die Begrenzungen als zwischen den Taschen angeordnete, ebenfalls in Längsrichtung des Deckbands verlaufende Stege ausgebildet.
Nach einer zweiten, alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmungen als in etwa rechteckförmige Taschen und die Begrenzungen als sich zwischen den Taschen, in Längsrichtung des Deckbands sowie in Querrichtung des Deckbands erstreckende Stege ausgebildet.
Nach einer weiteren, alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmungen als in etwa dreieckförmige Taschen und die Begrenzungen als zwischen den Taschen, in Diagonalrichtung des Deckbands verlaufende Stege ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im unabhängigen Patentanspruch 10 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1: einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Leitschaufel nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematisierten, perspektivischen Ansicht von oben auf ein Außendeckband der Leitschaufel; Fig. 2: einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Leitschaufel nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht analog zu Fig. 1;
Fig. 3: einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Leitschaufel nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht analog zu Fig. 1 und 2;
Fig. 4: eine schematisierte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Leitschaufel;
Fig. 5: eine erfindungsgemäßen Leitschaufel nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht analog zu Fig. 1 und 2;
Fig. 6: ein erfindungsgemäßes Leitschaufelsegment nach in einer Ansicht analog zu Fig. 5; und
Fig. 7: ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrenschritte beim pulvermetallurgischen Spritzgießen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 7 in größerem Detail erläutert. Fig. 1 bis 6 zeigen schematisierte Ansichten erfindungsgemäßer Leitschaufeln. Fig. 7 verdeutlicht die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leitschaufeln.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Leitschaufel im Ausschnitt, wobei in Fig. 1 ein Schaufelblatt 1 1 und ein Außendeckband 12 der Leitschaufel 10 dargestellt sind. Zusätzlich zum gezeigten Außendeckband 12 kann weiterhin ein Innendeckband vorhanden sein.
Erfindungsgemäß ist das Design des Außendeckbands 12, also die Masse und der Querschnitt desselben, im Hinblick auf eine Herstellung der Leitschaufel 10 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen optimiert. Hierzu sind die Masse bzw. Massever- teilung und der Querschnitt bzw. die Querschnittsverteilung des Außendeckbands 12 an die entsprechenden Größen des Schaufelblatts 11 angepasst. Eine gleichmäßige Querschnittsverteilung sowie Masseverteilung im gesamten herzustellenden Bauteil, also in der gesamten Leitschaufel 10, ist beim pulvermetallurgischen Spritzgießen besonders vorteilhaft. Eine unterschiedliche Masseverteilung sowie Querschnittsverteilung, so zum Beispiel unterschiedliche Wanddicken, können nämlich beim pulvermetallurgischen Spritzgießen, insbesondere beim Sintern und Abkühlen eines Bauteils während des pulvermetallurgischen Spritzgießens, zu einem Verzug bzw. zu Rissbildungen am herzustellenden Bauteil führen. Dies wird durch die hier vorliegende Erfindung vermieden. Die gleichmäßige Querschnittsverteilung sowie Masseverteilung im gesamten herzustellenden Bauteil kann im einfachsten Fall dadurch erzielt werden, dass die Dicke bzw. Stärke des oder jeden Deckbands in etwa der Dicke bzw. Stärke des Schaufelblatts entspricht.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind in einem mittleren Abschnitt 13 des Außendeckbands 12 zur Massenminimierung des Außendeckbands 12 Ausnehmungen 14 in eine nach außen gerichtete Oberfläche 15 des Außendeckbands 12 eingebracht. Die Ausnehmungen 14 sind als sich in Längsrichtung des Außendeckbands 12 erstreckende Taschen bzw. Einkerbungen bzw. Rillen ausgebildet. Durch das Einbringen der Ausnehmungen 14 in die Oberfläche 15 des Außendeckbands 12 kann die Masse des Außendeckbands 12 minimiert werden. Zwischen den sich in Längsrichtung des Außendeckbands 12 verlaufenden Ausnehmungen 14 sind Begrenzungen 16 angeordnet. Die Begrenzungen 16 sind als ebenfalls in Längsrichtung des Deckbands verlaufende Stege ausgebildet. Die Begrenzungen 16 bzw. die Stege bilden eine Verrippung und optimieren bzw. maximieren die Festigkeitsstruktur des Außendeckbands 12. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, können sich die Ausnehmungen sowie die Begrenzungen 16 zusätzlich zum mittleren Abschnitt 13 auch in die beiden seitlichen Abschnitte 17, 18 des Außendeckbands 12 erstrecken. Verfügt die Leitschaufel 10 zusätzlich zum Außendeckband 12 auch über ein Innendeckband, so kann dieses in Analogie zum Außendeckband 12 ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt ein zweites, erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, nämlich eine Leitschaufel 19, in einer Ansicht analog zu Fig. 1. Die Leitschaufel 19 gemäß Fig. 2 ver- fügt wiederum über ein Schaufelblatt 20 und ein Außendeckband 21. In einem mittleren Abschnitt 22 des Außendeckbands 21 sind auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 Ausnehmungen 23 in eine nach außen gerichtete Oberfläche 24 des Außendeckbands 21 eingebracht. Die Ausnehmungen 23 dienen wiederum der Massereduktion. Zwischen den Ausnehmungen 23 verlaufen Begrenzungen 25, die der Stei- figkeitsmaximierung dienen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Ausnehmungen 23 als dreieckförmige Ausnehmungen bzw. Taschen ausgebildet. Die Begrenzungen 25, welche die Ausnehmungen 23 voneinander begrenzen, sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 als sich in Diagonalrichtung des Außendeckbands 21 erstreckende Stege ausgebildet. Zusätzlich zu den sich in Diagonalrichtung des Außendeckbands 21 erstreckenden Stegen bzw. Begrenzungen 25 sind seitliche Stege bzw. Begrenzungen 26 vorhanden, die sich in Längsrichtung des Außendeckbands 21 erstrecken und zwei der Ausnehmungen 23 an einer Längskante des Außendeckbands 21 begrenzen. Auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 können sich die Ausnehmungen 23 und die Stege 25 nicht nur im mittleren Abschnitt 22 des Außendeckbands erstrecken, sondern vielmehr auch in den Bereich der seitlichen Abschnitte 27, 28. Ebenso kann in dem Fall, in dem die Leitschaufel 19 ein Innendeckband umfasst, dasselbe in Analogie zum Außendeckband 21 ausgebildet sein.
Fig. 3 zeigt eine weitere, erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Leitschaufel 29. Auch die Leitschaufel gemäß Fig. 3 umfasst ein Schaufelblatt 30 und ein Außendeckband 31. In einem mittleren Abschnitt 32 des Außendeckbands 31 sind Ausnehmungen 33 eingebracht, wobei die Ausnehmungen 33 in eine nach außen gerichtete Oberfläche 34 des Außendeckbands 31 eingebracht sind. Wie Fig. 3 entnommen werden kann, sind die Ausnehmungen 33 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 nicht nur im mittleren Abschnitt 32 des Außendeckbands 31 in dasselbe eingebracht, sondern vielmehr auch in die seitlichen Abschnitte 35 und 36 desselben. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die Ausnehmungen 33 als in etwa rechteckförmige Taschen bzw. Einkerbungen ausgebildet, die einerseits durch sich in Längsrichtung des Deckbands erstreckende Begrenzungen 37 und andererseits durch sich in Querrichtung des Deckbands erstreckende Begrenzungen 38 begrenzt sind. Die Begrenzungen 37 und 38 bilden eine gitterförmige Verrippung und dienen wiederum der Festigkeitsmaximierung des Außendeckbands. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bilden die als rechteckförmige Einkerbungen ausgebildeten Ausnehmungen 33 auf der nach außen gerichteten Oberfläche 34 des Außendeckbands 31 eine Taschenstruktur, die sich sowohl über den mittleren Abschnitt 32 als auch die seitlichen Abschnitte 35 und 36 des Außendeckbands 31 erstreckt. Verfügt die Leitschaufel 29 über ein Innendeckband, so kann in Analogie zum Außendeckband ausgestaltet sein.
Allen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 3 ist demnach gemeinsam, dass das Außendeckband der Leitschaufeln über eine masseminimierte sowie steifigkeitsma- ximierte Struktur verfügt. Zur Minimierung der Masse des Außendeckbands sind in das Außendeckband Ausnehmungen bzw. Taschen eingebracht. Die Steifigkeit wird durch sich zwischen den Ausnehmungen bzw. Taschen erstreckende Begrenzungen, die als Stege ausgebildet sind, maximiert.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitschaufel 39. Die Leitschaufel 39 gemäß Fig. 4 verfügt wiederum über ein Schaufelblatt 40, ein Außendeckband 41 sowie ein Innendeckband 42. Außendeckband 41 sowie Innendeckband 42 verfügen im Sinne der Erfindung über eine masseminimierte sowie stei- figkeitsmaximierte Struktur. So sind in Fig. 4 im Bereich des Innendeckbands 42 Ausnehmungen 43 angedeutet. Diese können nach einem der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 bis 3 ausgebildet sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitschaufel 52. Die Leitschaufel 52 gemäß Fig. 5 verfügt wiederum über ein Schaufelblatt 53, ein Außendeckband 54 sowie ein Innendeckband 55. Außendeckband 54 sowie Innendeckband 54 verfügen im Sinne der Erfindung über eine masseminimierte sowie stei- figkeitsmaximierte Struktur. Diese Struktur der Ausführungsform gemäß Fig. 5 entspricht im wesentlichen der Struktur der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden daher für gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern verwendet. In einem mittleren Abschnitt 22 des Außendeckbands 54 sind Ausnehmungen 23 in eine nach außen gerichtete Oberfläche 24 des Außendeckbands 54 eingebracht, die wiederum als dreieckförmige Ausnehmungen bzw. Taschen ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist im Unterschied zum Ausfüh- rungsbeispiel der Fig. 2 jedoch lediglich eine sich in Diagonalrichtung des Außendeckbands 54 erstreckende Begrenzung 25 vorhanden, welche die beiden Ausnehmungen 23 voneinander begrenzt. Zusätzlich zu dem sich in Diagonalrichtung des Außendeckbands 21 erstreckenden Steg bzw. der Begrenzung 25 sind seitliche Stege bzw. Begrenzungen 26 vorhanden, die sich in Längsrichtung des Außendeckbands 54 erstrecken und die beiden Ausnehmungen 23 an einer Längskante des Außendeckbands 54 begrenzen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 erstreckt sich eine der beiden Ausnehmungen 23 nicht nur im mittleren Abschnitt 22 des Außendeckbands, sondern vielmehr auch in den Bereich des benachbarten, seitlichen Abschnitts 27. Das Innendeckband 55 kann in Analogie zum Außendeckband 21 ausgebildet sein.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Leitschaufelsegmente, die mehrere solcher Leitschaufeln 10, 19, 29, 39 bzw. 52 umfassen, nach demselben erfindungsgemäßen Prinzip aufgebaut sind. Mehrere Leitschaufeln oder Leitschaufelsegmente bilden eine geschlossenen Leitschaufelkranz. So zeigt Fig. 6 ein Leitschaufelsegment 56 mit vier Leitschaufeln 52, die im Sinne der Fig. 5 ausgebildet sind.
Es liegt nun weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die nach dem obigen Prinzip ausgebildeten Leitschaufeln 10, 19, 29, 39 bzw. 52 oder das Leitschaufelsegment 56 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen. Das pulvermetallurgische Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM- Verfahren) bezeichnet. Die Leitschaufeln 10, 19, 29, 39 sowie 52 sind im Bereich des oder jeden Deckbands im Sinne der Erfindung derart masseminimiert bzw. stei- figkeitsmaximiert, dass eine besonders vorteilhaft Herstellbarkeit durch pulvermetallurgisches Spritzgießen gegeben ist. Der Querschnitt und die Masse des oder jeden Deckbands sind nämlich an die Masse und den Querschnitt des oder jeden Schaufelblatts angepasst. Beim Sintern und Abkühlen während des pulvermetallurgischen Spritzgießens ist hierdurch gewährleistet, dass beim Abkühlen sowie Sintern die gesamte Leitschaufel gleichmäßig beansprucht wird. Metallurgische Fehlstellen wie geometrische Deformationen oder Risse an der Leitschaufel werden vermieden.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf Fig. 7 die einzelnen Verfahrensschritte des pulvermetallurgischen Spritzgießens zur Herstellung der Leitschaufeln 10, 19, 29, 39 sowie 52 erläutert. In einem ersten Schritt 44 wird ein Metallpulver, Hartmetallpulver oder Keramikpulver bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 45 werden ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel bereitgestellt. Das im Verfahrensschritt 44 bereitgestellte Metallpulver sowie das im Verfahrensschritt 45 bereitgestellte Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden im Verfahrensschritt 46 gemischt und homogenisiert, so dass sich eine homogene Masse ausbildet. Der Volumenanteil des Metallpulvers in der homogenen Masse beträgt dabei vorzugsweise zwischen 50% und 70%. Der Anteil von Bindemittel und Plastifizierungsmittel an der homogenen Masse schwankt demnach in etwa zwischen 30% und 50%.
Diese homogene Masse aus Metallpulver, Bindemittel und Plastifizierungsmittel wird im Sinne des Schritts 47 durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Beim Spritzgießen werden Formkörper gefertigt. Diese Formkörper weisen schon alle typischen Merkmale der herzustellenden Leitschaufeln 10, 19, 29, 39 sowie 52 auf. Insbesondere verfügen die Formkörper über die geometrische Form der zu fertigenden Leitschaufel 10, 19, 29, 39 sowie 52. Sie verfügen also bereits über die masseminimierte sowie steifigkeitsmaximierte Struktur im Bereich des oder jeden Deckbands. Sie verfügen jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen.
Im nachgeschalteten Schritt 48 wird das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 48 kann man auch als Endbindungsprozess bezeichnen. Das Austreiben von Bindemittel und Plastifizierungsmittel kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Üblicherweise erfolgt dies durch fraktionierte, thermische Zersetzung bzw. Verdampfung. Eine weitere Möglichkeit besteht durch Heraussaugen der thermisch verflüssigten Binde- und Plastifizierungsmittel durch Kapillarkräfte, durch Sublimation oder durch Lösungsmittel.
Im Anschluss an den Entbindungsprozess im Sinne des Schritts 48 werden die Formkörper im Sinne des Schritts 49 gesintert. Während des Sinters werden die Formkörper zu den Bauteilen, nämlich zu den Leitschaufeln 10, 19, 29, 39 sowie 52, mit den endgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet. Während des Sinters verkleinern sich demnach die Formkörper, wobei die Dimensionen der Formkörper in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig schwinden müssen. Der lineare Schwund beträgt abhängig vom Bindemittelgehalt und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 10 % und 20 %. Das Sintern kann unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum durchgeführt werden. Nach dem Sintern liegt die fertige Leitschaufel 10, 19, 29, 39 sowie 52 vor, was in Fig. 1 durch den Schritt 50 dargestellt ist. Falls erforderlich, kann nach dem Sintern (Schritt 49) das Bauteil noch einem Veredelungsprozess im Sinne des Schritts 51 unterzogen werden. Der Veredelungsprozess ist jedoch optional. Es kann bereits auch unmittelbar nach dem Sintern eine einbaufertige Leitschaufel 10, 19, 29, 39 sowie 52 vorliegen.
Auf die obige Art sind auch Leitschaufelsegmente, die mehrere Leitschaufeln umfassen, herstellbar. So können in diesem Fall im Schritt 47 durch Spritzgießen Formkörper für ein mehrere Leitschaufeln umfassendes Leitschaufelsegment hergestellt werden.
Wie bereits erwähnt, ist es demnach eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, Leitschaufeln für Flugzeugtriebwerke, insbesondere Leitschaufeln für Verdichter eines Flugzeugtriebwerks, einerseits durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen und andererseits die Struktur der Leitschaufel, nämlich die Struktur des oder jeden Deckbands derselben, an das pulvermetallurgische Spritzgießen anzupassen bzw. im Hinblick auf das pulvermetallurgische Spritzgießen zu optimieren. Im Bereich des oder jeden Deckbands erfolgt eine Masse- und Querschnittsreduktion bei gleichzeitiger Optimierung der Steifigkeit bzw. Festigkeit. Die Vergieichmäßigung der Masse und des Querschnitts im Bereich der gesamten Leitschaufel führt zu einer verbesserten MIM-Herstellbarkeit. Da beim Herstellen durch pulvermetallurgisches Spritzgießen die Kosten des herzustellenden Bauteils unmittelbar von dem Gewicht des Bauteils abhängen, ergibt sich auch eine Kostenreduktion.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil, nämlich Leitschaufel oder Leitschaufelsegment, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, mit mindestens einem Schaufelblatt (11, 20, 30, 40, 53) und mindestens einem Deckband (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55), dadurch gekennzeichnet, dass die Masse und der Querschnitt des oder jeden Deckbands (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55) im Hinblick auf eine Herstellung der Leitschaufel oder des Leitschaufelsegments durch pulvermetallurgisches Spritzgießen optimiert sind, und dass die Leitschaufel oder das Leitschaufelsegment durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse und der Querschnitt des oder jeden Deckbands ( 12, 21 , 31 , 41 , 42, 54, 55) an die Masse und den Querschnitt des oder jeden Schaufelblatts (1 1, 20, 30, 40, 53) angepasst sind.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseverteilung und die Querschnittsverteilung des oder jeden Deckbands (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55) an die Masseverteilung und die Querschnittsverteilung des oder jeden Schaufelblatts (1 1, 20, 30, 40, 53) angepasst sind.
4. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Deckband (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55) eine masseminimierte sowie steifigkeitsmaximierte Struktur aufweist.
5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke bzw. Stärke des oder jeden Deckbands in etwa der Dicke bzw. Stärke des Schaufelblatts entspricht.
6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in eine nach außengerichtete Oberfläche (15, 24, 34) des oder jeden Deckbands (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55) zur Masseminimie- rung Ausnehmungen (14, 23, 33) eingebracht sind, wobei Begrenzungen (16, 25, 26, 37, 38) der Ausnehmungen die Steifigkeit des oder jeden Deckbands (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55) optimieren.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (14, 23, 33) als Taschen und die zwischen den Ausnehmungen (14, 23, 33) angeordneten Begrenzungen (16, 25, 26, 37, 38) als Stege ausgebildet sind, wobei die Taschen und Stege eine Verrippung beliebiger Geometrie bilden, wobei die Taschen insbesondere rund und/oder rechteckig und/oder dreieckig und/oder sechseckig ausgebildet sind.
8. Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (14) als in Längsrichtung des Deckbands (12) verlaufende Taschen und die Begrenzungen (16) als zwischen den Taschen angeordnete, ebenfalls in Längsrichtung des Deckbands (12) verlaufende Stege ausgebildet sind.
9. Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (33) als in etwa rechteckförmige Taschen und die Begrenzungen (35, 36) als zwischen den Taschen angeordnete, in Längsrichtung des Deckbands (31) sowie in Querrichtung des Deckbands (31) verlaufende Stege ausgebildet sind.
10. Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (23) als in etwa dreieckförmige Taschen und die Begrenzungen (25) als zwischen den Taschen angeordnete, in Diagonalrichtung des Deckbands (21) verlaufende Stege ausgebildet sind.
1 1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, nämlich einer Leitschaufel oder eines Leitschaufelsegments, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, mit mindestens einem Schaufelblatt (1 1, 20, 30, 40, 53) und mindestens einem Deckband (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55), wobei die Masse und der Querschnitt des oder jeden Deckbands (12, 21, 31, 41, 42, 54, 55) optimiert sind, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des oder jeden Deckbands ( 12, 21 , 31 , 41 , 42, 54, 55) minimiert und die Steifigkeit maximiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in eine nach außengerichtete Oberfläche (15, 24, 34) des oder jeden Deckbands ( 12, 21 , 31 , 1 , 42, 54, 55) zur Masseminimierung Ausnehmungen (14, 23, 33) eingebracht werden, wobei Begrenzungen (16, 25, 26, 37, 38) der Ausnehmungen (14, 23, 33) die Steifigkeit des oder jeden Deckbands (12, 21, 31, 41, 42) optimieren.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (14, 23, 33) als Taschen und die zwischen den Ausnehmungen (14, 23, 33) angeordneten Begrenzungen (16, 25, 26, 37, 38) als Stege in die Oberfläche des oder jeden Deckbands eingebracht werden, wobei die Taschen und Stege eine Verrippung beliebiger Geometrie bilden, wobei die Taschen insbesondere rund und/oder rechteckig und/oder dreieckig und/oder sechseckig ausgebildet sind.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (14) als sich in Längsrichtung des Deckbands (12) erstreckende Einkerbungen und die Begrenzungen (16) als zwischen den Einkerbungen angeordnete, ebenfalls in Längsrichtung des Deckbands verlaufende Stege in die Oberfläche (15) des oder jeden Deckbands eingebracht werden.
16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (33) als in etwa rechteckförmige Einkerbungen und die Begrenzungen (37, 38) als zwischen den Einkerbungen angeordnete, in Längsrichtung des Deckbands (31) sowie in Querrichtung des Deckbands (31) verlaufende Stege in die Oberfläche (34) des oder jeden Deckbands (31) eingebracht werden.
17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (23) als in etwa dreieckförmige Einkerbungen und die Begrenzungen (25) als zwischen den Einkerbungen angeordnete, in Diagonalrichtung des Deckbands (21) verlaufende Stege in die Oberfläche (24) des oder jeden Deckbands (21) eingebracht werden.
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