WO2005103451A1 - Verfahren zum verschliessen einer kernaustrittsöffnung einer turbinenschaufel und turbinenschaufel - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschliessen einer Kernaustrittöffnung (20, 22) einer hohlen Turbinenschaufel (10), das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verschlusselement (24, 26) zumindest teilweise durch Reibschluss mit der Turbinenschaufel (10) verbunden wird. Weiterhin wird eine Turbinenschaufel beschrieben, die einen hohlen Kern (18) und mindestens eine Kernaustrittsöffnung (20, 22) aufweist, wobei die Turbinenschaufel dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kernaustrittsöffnung (20, 22) durch ein Verschlusselement (24, 26) verschlossen ist, das durch Reibschluss gehalten wird.

Description

Verfahren zum Verschließen einer Kernaustrittsöffnung einer Turbinenschaufel und Turbinenschaufel

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschließen einer Kernaustrittsöffnung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer hohlgegossenen Laufschaufei, sowie auf eine Turbinenschaufel, insbesondere eine hohle Laufschaufei .

Turbinenschaufeln werden in statischen Gasturbinen und Flugtriebwerken in der Nähe der Brennkammer betrieben. Da hier hohe Temperaturen herrschen, müssen die Turbinenschaufeln gekühlt werden. Hierzu können in den Turbinenschaufeln Kühlkanäle vorgesehen sein. Weiterhin können durch eine hohle Ausgestaltung der Turbinenschaufeln Gewichtseinsparungen gegenüber Turbinenschaufeln aus vollem Material erzielt werden. Hohlschaufeln werden in der Regel durch Feingussverfahren, insbesondere durch das sogenannte Wachsausschmelzverfahren (Lost Wax), hergestellt. Hierbei wird ein Wachsmodell erzeugt und um das Modell wird feuerfeste Masse gebracht, nach deren Trocknung das Wachsmodell ausgeschmolzen wird. Der so entstandene Hohlraum kann mit Schmelze ausgegossen werden und so die gewünschte Form erhalten werden. Sollen hohle Gegenstände erzeugt werden, so muss ein Kern verwendet werden, der einen definierten Abstand zu der äußeren Gussform aufweisen muss. Um die gewünschte Wandstärke einzustellen, werden daher Kernstützen verwendet. Durch diese Stützen entstehen beim Gießen allerdings Öffnungen in dem zu gießenden Gegenstand.

Bei Turbinenschaufeln werden zur exakten Positionierung des Kerns in der Regel an dem Schaufelfuß Kernstützen vorgesehen, die zu großen Kernaustrittsöffnungen an der gegossenen Turbinenschaufel führen. Diese Öffnungen müssen vor dem Einsatz der Turbinenschaufel in einer statischen Gasturbine oder einem Flugtriebwerk verschlossen werden, wenn die Öffnungen nicht für die Kühlmittelzufuhr verwendet werden.

Bei herkömmlichen Turbinenschaufeln wird die Kernaustrittsöffnung durch Abdecken der Kernaustrittsöffnung mittels eines Blechs, das auf dem Schaufelfuß aufgelötet wird, oder durch Laserschweißen verschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Alternative zu dieser Art des Kernverschlusses zu schaffen, die insbesondere leicht und schnell ausgeführt werden kann und bei der eine Beschädigung des Materials der Turbinenschaufel vermieden werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Verschließen einer Kernaustrittsöffnung einer Turbinenschaufel gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Turbinenschaufel gemäß Patentanspruch 5.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Verschlussmittel zumindest teilweise durch Reibschluss mit der Turbinenschaufel verbunden wird.

Durch diese Art der Verbindung des Verschlussmittels mit der Turbinenschaufel können relativ einfache Betriebsmittel verwendet werden. Zudem ist diese Art der Befestigung insbesondere aufgrund des Materials, aus dem Turbinenschaufeln in der Regel hergestellt sind, vorteilhaft. Für Turbinenschaufeln werden vorzugsweise Superlegierungen, insbesondere Ni- ckel-Basis-Superlegierungen verwendet. Diese können zwar aufgrund ihrer hochwarmfesten Eigenschaft den Betriebstemperaturen in der Turbine ausreichend standhalten, allerdings weisen diese Materialen den Nachteil auf, dass sie nur schwierig oder gar nicht schweißbar sind. Bei hohen Temperaturen, die beim Löten und Schweißen entstehen, kann es zu einer Umwandlung des Gefüges und dadurch zu Rissbildungen kommen. Diese können nur durch aufwendige Verfahren mit genauer Temperaturregelung vermieden werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen erfolgt die Befestigung des Verschlusselements an der Turbinenschaufel ohne eine Wärmeeinbringung, wodurch Ausschuss vermieden werden kann. Auch im Vergleich zu dem Anlöten einer Abdeckplatte für die Kernöffnungen ist das reibschlüssige Befestigen des bzw. der Verschlusselemente mit wesentlich geringerem Arbeitsaufwand verbunden, da die komplette Lötoperation an der Schaufel entfallen kann. Somit ist das Verfahren erheblich vereinfacht und die Gefahr der Beschädigung der Turbinenschaufel ist erheblich verringert . Zusätzlich zu der reibschlüssigen Verbindung kann zwischen dem Verschlusselement und der Turbinenschaufel zumindest über einen Teil des Verschlusselements auch ein Formschluss bestehen. Durch ein solches Eingreifen des Verschlusselements in die Turbinenschaufel kann der Halt zusätzlich verbessert werden.

Vorzugsweise wird das Verschlusselement zumindest teilweise in die Kernaustrittsöffnung eingeführt und dort fixiert. Hierbei wird das Ver- schlusselement vorzugsweise koaxial zu der Achse der Kernaustrittsöffnung in diese eingeführt . In einem anschließenden Schritt wird das Verschlusselement dann über zumindest einen Teil seiner Länge radial expandiert. Durch die Positionierung des Verschlusselements in der zu verschließenden Austrittsöffnung kann auf einfache Weise ein Verschließen der Öffnung sichergestellt werden. Ein aufwändiges Festlegen der Position und Ξinhal- tung der Position eines Blechs zu der Position der Austrittsöffnung, wie dies bei dem Auflöten eines Blechs notwendig ist, kann hierbei entfallen. Weiterhin bietet die Kernaustrittsöffnung aufgrund ihrer Geometrie eine optimale Angriffsfläche für den Reibschluss. Aufgrund der Fertigungstechnik, die bei der Herstellung von Hohlschaufeln verwendet wird, weist die Kernaustrittsöffnung in der Regel eine zylindrische Form auf. In dieser Kernaustrittsöffnung kann ein zylindrisches Verschlusselement durch Reibschluss befestigt werden. Der Querschnitt der Kernaustrittsöffnung kann weiterhin vorzugsweise von der Außenseite zu dem Kern hin zunehmen. Diese Querschnittsvergrößerung bietet dann zusätzlich Angriffspunkte für eine formschlüssige Verbindung, da sich das Verschlusselement an diese Vergrößerung der Öffnung anpassen kann.

Als Verschlusselement wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise eine Blindniete verwendet. Diese kann in die Kernaustrittsöffnung leicht eingebracht und trotz der ausschließlichen Zugänglichkeit der Aus- trittsöffnung von außen fest mit der Turbinenschaufel verbunden werden. Es können die bekannten Arten von Blindnieten verwendet werden. Durch die Verwendung von Blindnieten kann der Bedarf an Betriebsmitteln zum Durchführen des Verfahrens auf das Nietwerkzeug und eine Haltevorrichtung, insbesondere eine Werkbank, beschränkt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich also insbesondere bei der Verwendung von Blindnieten als Verschlusselemente besonders kostengünstig durchführen und liefert dennoch einen zuverlässigen Kernverschluss .

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, durch eine hohlgegossene Turbinenschaufel gelöst, die mindestens eine Kernaustrittsöffnung aufweist. Diese Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Kernaustrittsöffnung durch ein Ver- schlusselement verschlossen ist, das durch Reibschluss gehalten wird. Diese Verbindungsart ist für das Material der Turbinenschaufel schonend. Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel ist insbesondere eine Laufschaufel der Turbine .

Vorzugsweise ragt das Verschlusselement zumindest teilweise in die Kernaustrittsöffnung hinein. Die Achse des Verbindungselements, das in der Regel eine zylindrische Form aufweist, fällt hierbei mit der Achse der Kernaustrittsöffnung zusammen. Die Fläche, über die die Verbindung mit der Schaufel erfolgt, ist somit im wesentlichen die Mantelfläche des Verbindungselements. Diese ist im Vergleich zu der Linie, die durch eine Lötnaht gebildet würde, größer, wodurch eine Abdichtung des hohlen Innenraums der Turbinenschaufel gewährleistet werden kann und die Fixierung des Verbindungselements verbessert wird, d.h. ein sicherer Halt gewährleistet wird.

Als Verschlusselement wird vorzugsweise eine Blindniete verwendet. Diese sitzt in der eingebrachten Position fest in der Austrittsöffnung und ragt an der Außenseite der Turbinenschaufel nur geringfügig über die Oberfläche hervor. Zudem sind die Kernaustrittsöffnungen in Turbinenschaufeln durch das Herstellen durch Gießen in der Regel zylindrisch, so dass bei der Verwendung einer Blindniete, die einen zylindrischen Querschnitt aufweist, eine gesonderte Bearbeitung der Öffnung nicht notwendig ist.

Die mindestens eine Austrittsöffnung ist bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel vorzugsweise an der Unterseite des Schaufelfußes angeordnet. Es ist erfindungsgemäß aber auch möglich, die Verschlusselemente an anderen Positionen, an denen Kernöffnungen vorhanden sind, zu verwenden. Beispielsweise können Kernöffnungen, die beispielsweise am Schaufelkopf vorhanden sind, mit den Verschlusselementen verschlossen werden.

Die Vorteile und Merkmale, die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, gelten -soweit anwendbar- entsprechend für die erfindungsgemäße Turbinenschaufel und umgekehrt .

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Teilschnitt-Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel im Bereich des Schaufelfußes;

Figur 2 : eine schematische Untersicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel nach Figur 1; und

Figur 3 : eine schematische Teilschnitt-Seitenansicht einer Turbinenschaufel im Bereich des Schaufelfußes mit einem Kernverschluss nach dem Stand der Technik.

In den einzelnen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden gegebenenfalls nur einmal beschrieben.

In der Figur 1 ist der untere Teil einer hohlgegossenen Turbinenschaufel 10 dargestellt. An die Plattform 12 schließt sich nach unten der Schaufelfuß 14 und nach oben das Schaufelblatt 16 an. Das Schaufelblatt 16 weist einen Hohlraum 18 auf, der sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Schaufelblatts 16 erstrecken kann. Der Hohlraum 18 setzt sich auch über den Bereich der Plattform 12 weiter nach unten fort, verjüngt sich allerdings in der dargestellten Ausführungsform in diesem Bereich. Im Schaufelfuß 14 verzweigt sich der Hohlraum 18 in zwei Kernaustrittsöffnungen 20 und 22, die an der Unterseite des Schaufelfußes 14 enden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Kernaustrittsöffnungen 20 und 22 mit Verschlusselementen 24 und 26 verschlossen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Verschlusselemente 24 und 26 Blindnieten. Diese erstrecken sich von den Kernöffnungen 20 und 22.

Wie sich aus der Figur 1 ergibt, weisen die Kernaustrittsöffnungen 20 und 22 in ihrem oberen Bereich eine konische Form auf. Diese Form der Kernaustrittsöffnungen 20 und 22 sorgt bei der Herstellung der Turbinenschaufel 10, insbesondere beim Gießen der Turbinenschaufel 10, für ein zuverlässiges Entfernen des Kerns. Für die Blindnieten 24 und 26 bietet die konische Fläche die Angriffsfläche für den Formschluss, während über den unteren zylindrischen Bereich der Kernaustrittsöffnungen 20 und 22 ein Reibschluss zwischen den Verschlusselementen 24 und 26 und den Kernaustrittsöffnungen 20 und 22 besteht.

Aus der Untersicht auf die Turbinenschaufel 10 in Figur 2 lässt sich erkennen, dass bei der dargestellten Ausführungsform zwei Kernaustrittsöffnungen 20 und 22 in dem Schaufelfuß 14 vorgesehen waren, die durch die Verschlusselemente 24 und 26 verschlossen wurden. In der Ansicht in Figur 2 ist außer dem Schaufelfuß 14 und der Plattform 12 auch ein Teil des Deckbandes 28, das an dem Schaufelkopf vorgesehen ist, zu erkennen.

In der Ausführungsform der Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik, die in Figur 3 dargestellt ist, ist der Aufbau der Turbinenschaufel 10, insbesondere der Verlauf des Hohlraumes 18 in der Turbinenschaufel 10 gleich dem in Figur 1 gezeigten Aufbau. Allerdings sind die Kernöffnungen 20 und 22 durch ein Blech 30 verschlossen, das sich über beide Kernöffnungen 20 und 22 erstreckt. Das Blech 30 ist an die Unterseite des Schaufelfußes 14 auf diesen aufgelötet.

Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich einen einfachen und zuverlässigen Verschluss von Kernaustrittsöffnungen hohlgegossener Turbinenschaufeln zu schaffen, der zudem auf einfache Weise und ohne die Gefahr der Beschädigung des Materials der Turbinenschaufel eingebracht werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verschließen einer Kernaustrittöffnung (20, 22) einer hohlen Turbinenschaufel (10) , dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschlusselement (24, 26) zumindest teilweise durch Reibschluss mit der Turbinenschaufel (10) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Verschlusselements (24, 26) so verändert wird, dass zusätzlich zu dem Reibschluss, zumindest über einen Teil des Verschlussele- ments (24, 26) ein Formschluss zwischen dem Verbindungselement (24, 26) und der Turbinenschaufel (10) entsteht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (24, 26) zumindest teilweise in die Kernaustrittsöffnung (20, 22) eingeführt und dort fixiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschlusselement (24, 26) eine Blindniete verwendet wird.

5. Turbinenschaufel, die einen hohlen Kern (18) und mindestens eine Kernaustrittsöffnung (20, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernaustrittsöffnung (20, 22) durch ein Verschlusselement (24, 26) verschlossen ist, das durch Reibschluss gehalten wird.

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (24, 26) zumindest teilweise in die Kernaustrittsöffnung (20, 22) hineinragt.

7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (24, 26) eine Blindniete darstellt.

8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kernaustrittsöffnung (20, 22) an der Unterseite des Schaufelfußes (14) angeordnet ist.

9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das diese durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.