WO2018091245A1 - Erzeugung eines formlochs in einer wand - Google Patents

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WO2018091245A1
WO2018091245A1 PCT/EP2017/077319 EP2017077319W WO2018091245A1 WO 2018091245 A1 WO2018091245 A1 WO 2018091245A1 EP 2017077319 W EP2017077319 W EP 2017077319W WO 2018091245 A1 WO2018091245 A1 WO 2018091245A1
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hole
wall
produced
diffuser
diameter
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PCT/EP2017/077319
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Inventor
Thomas Beck
Stefan Dahlke
Jens Dietrich
Sebastian HOHENSTEIN
Marcel KRÜGERKE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/384—Removing material by boring or cutting by boring of specially shaped holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/389—Removing material by boring or cutting by boring of fluid openings, e.g. nozzles, jets

Definitions

  • the invention relates to the production of a forming hole having a cylindrical portion, wherein the through hole is present in a wall.
  • Turbine blades receive elaborate multi-layer coating systems (anticorrosive coatings, thermal barrier coatings, primer coatings).
  • the thermal barrier coating (WDS) consists mostly of ceramics which are applied porous by atmospheric plasma spraying. Through the entire coating system, a large number of cooling air holes is additionally introduced. These cooling air holes are mostly produced with a laser technology. Especially in the case of shaped holes, this takes place via a multi-stage process in which several laser systems are used.
  • Form holes are characterized inter alia by the fact that the cooling air inlet opening has a different geometry as the cooling air outlet opening.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • an initial hole is introduced in a first step.
  • a 3D contour is cut out with the same laser, whereby the laser beam and the removed material can escape through the outlet opening.
  • the final diameter (cylinder) on the cooling air inlet side is then cut out (trephined) with the same laser.
  • This inlet cylinder is fluidically necessary.
  • FIGS. 1 to 3 schematically show the sequence of the method according to the invention.
  • the wall 7 is, for example, the wall of a turbine blade having an outer surface 4 on which metallic and / or ceramic layers may or may not be applied.
  • a medium first enters an inner first section 10, which is configured in particular cylindrical or symmetrical.
  • the inner first extension widens. section 10, which represents the overflow direction of a hot gas in a certain direction.
  • the widening 19 is preferably linear in cross-section and represents the diffuser region 13.
  • the cylindrical portion 10 has a second diameter.
  • a through hole 20 is generated as an initial hole.
  • the through-hole 20 has a first diameter (see upper and lower circle), which is significantly smaller than the second diameter of the cylindrical portion 10 according to FIG. 3, which is in particular at least 20% larger.
  • the through hole 20 as an initial hole is made in the region of the forming hole 30 to be produced.
  • First material 26 for the diffuser region 13 and for the diffuser region 13 was thus removed.
  • the diffuser region 13 is completed.
  • Second material 24 near the inner surface 5 is a part of the first portion 10 (FIG. 3).
  • the lower circle shows the unchanged cross-section on the inner surface 5.
  • the shape above shows the top view of the diffuser area 13 in its final geometry.
  • only the inner first section 10 is completed, that is to say the geometry of the diffuser 13 changes, whereby only the inlet opening of the inner first section 10, recognizable by the larger circle representing the cross section of the final geometry, and the diameter of the initial hole 20 (indicated by dashed lines).

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Erzeugung eines Formlochs in einer Wand Um ein Formloch (30) mit zylindrischen Eintrittsöffnungen (10) und äußerem Diffusoranteil (13) herzustellen wird zuerst eine Durchgangsbohrung (20) mit kleinerem Durchmesser hergestellt, dann der Diffusoranteil (13) vollständig erzeugt und in einem dritten Schritt durch Abtragung von Material die gewünschte Endgeometrie der Eintrittsöffnung erzeugt.

Description

Erzeugung eines Formlochs in einer Wand
Die Erfindung betrifft die Erzeugung eines Formlochs, das einen zylindrischen Anteil aufweist, wobei das Durchgangsloch in einer Wand vorhanden ist.
Turbinenschaufeln erhalten aufwändige mehrlagige Beschich- tungssystemen (Korrosionsschutzschichten, Wärmedämmschichten, Haftvermittlerschichten) . Die Wärmedämmschicht (WDS) besteht zumeist aus Keramiken die über atmosphärisches Plasmaspritzen porös aufgetragen wird. Durch das gesamte Beschichtungssystem wird zusätzlich eine Vielzahl von Kühlluftbohrungen eingebracht. Diese Kühlluftbohrungen werden meistens mit einer Lasertechnologie erzeugt. Gerade bei Formlöchern erfolgt dies über einen mehrstufigen Prozess, bei dem mehrere Laseranlagen verwendet werden. Formlöcher zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass die Kühllufteinlassöffnung eine andere Geometrie aufweist wie die Kühlluftaustrittsöffnung .
Erfindungsgemäß soll hier ein Verfahren vorgestellt werden, bei dem mit nur einem Laserverfahren diese Art der Bohrungen eingebracht werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Mit einem Laser vorzugsweise mit Pulsdauern im ms-Bereich wird in einem ersten Schritt ein Intitialloch eingebracht. Dann wird mit dem gleichen Laser eine 3D-Kontur ausgeschnitten, wobei der Laserstrahl und das abgetragenen Material durch die Austrittsöffnung entweichen können. Im zweiten Schritt wird dann mit dem gleichen Laser der finale Durchmesser (Zylinder) an der Kühllufteintrittsseite ausgeschnitten (trepaniert) . Dieser Eintrittszylinder ist strömungstechnisch notwendig. Somit lässt sich mit einer Laseranlage in einem dreistufigen Prozess eine Bohrung mit unterschiedlichen Ein- und Austrittsöffnungen und dem notwendigen Kühllufteintrittszylinder herstellen.
Es können die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Typen von Geometrien mit unterschiedlichen Ein- und Austrittsquer- schnittsflächen mit nur einer Lasertechnologie erzeugt wer¬ den .
Es zeigen die Figuren 1 bis 3 schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In Figur 3 ist die gewünschte Endgeometrie eines Durchgangs¬ lochs 30 in einer Wand 7 dargestellt.
Die Wand 7 ist beispielsweise die Wand einer Turbinenschaufel mit einer äußeren Oberfläche 4, auf der metallische und/oder keramische Schichten aufgebracht werden können oder sind (nicht dargestellt) .
Aus dem Inneren 2 mit einer inneren Oberfläche 5 tritt ein Medium zuerst in einen inneren ersten Abschnitt 10, der ins- besondere zylindrisch oder symmetrisch ausgestaltet ist, ein.
Ab einer gewissen Tiefe t ausgehend von der inneren Oberfläche 5 in der Wand 7 verbreitert sich der innere erste Ab- schnitt 10, der in einer bestimmten Richtung die Überströmungsrichtung eines Heißgases darstellt. Die Verbreiterung 19 verläuft im Querschnitt gesehen vorzugsweise linear und stellt den Diffusorbereich 13 dar.
Der zylindrische Anteil 10 hat einen zweiten Durchmesser.
Erfindungsgemäß wird wie folgt vorgegangen, um diese Geomet¬ rie gemäß Figur 3 herzustellen:
Gemäß Figur 1 wird ein Durchgangsloch 20 als Initialloch erzeugt .
Das Durchgangsloch 20 weist einen ersten Durchmesser auf (siehe oberer und unterer Kreis) , der deutlich kleiner als der zweite Durchmesser des zylindrischen Anteils 10 gemäß Figur 3, der 10 insbesondere mindestens 20% größer ist.
Das Durchgangsloch 20 als Initialloch wird im Bereich des herzustellenden Formlochs 30 hergestellt.
Gestrichelt angedeutet ist die gewünschte Endgeometrie des Formlochs 30 im Querschnitt gesehen.
In einem zweiten Schritt (Fig. 2) wird entlang einer Linie 22 (Fig. 1), die die Endkontur des Diffusorbereichs 13 dar¬ stellt, Material 26 (26 = 23 + 24) abgetragen und zwar bis zur inneren Oberfläche 5, so dass ein Durchgangsloch 21 entsteht, das im Querschnitt ein rechtwinkliges Dreieck mit ab¬ geschnittener Spitze im Bereich der inneren Oberfläche 5 dar- stellt. Erstes Material 26 für den Diffusorbereich 13 und für den Diffusorbereich 13 wurde damit abgetragen. Der Diffusorbereich 13 ist damit fertiggestellt.
Zweites Material 24 nahe der inneren Oberfläche 5 ist ein Teil des ersten Abschnitts 10 (Fig. 3) .
In Figur 2 ist weiterhin gestrichelt angedeutet die ge¬ wünschte Endgeometrie des Durchgangslochs 30, so dass in einem letzten Verfahrensschritt hier im Querschnitt ein drei- eckförmiger Anteil als Material 25 herausgeschnitten wird.
Der untere Kreis zeigt den unveränderten Querschnitt an der inneren Oberfläche 5.
Die Form oberhalb zeigt die Aufsicht auf den Diffusorbereich 13 in seiner Endgeometrie. Im letzten Schritt gemäß Figur 3 wird nur noch der innere erste Abschnitt 10 fertiggestellt, das heißt, die Geometrie des Diffusors 13 ändert sich, wobei nur die Eingangsöffnung des inneren ersten Abschnitts 10, erkennbar an dem größeren Kreis, der den Querschnitt der Endgeometrie darstellt und der Durchmesser des Initiallochs 20 (gestrichelt angedeutet) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zur Erzeugung eines Formlochs (30),
das (30) einen inneren ersten Abschnitt (10) aufweist, der (10) im Querschnitt symmetrisch,
insbesondere zylindrisch,
ausgebildet ist,
und einen daran sich, insbesondere direkt, anschließenden Diffusorbereich (13) bis zu einer äußeren Oberfläche (4), wobei der Diffusor (13) eine Verbreiterung des inneren ersten Abschnitts (10) ab einer bestimmten Höhe (t) von einer inneren Oberfläche (5) darstellt,
bei dem zuerst ein zylindrisches Durchgangsloch (20) als Initialloch mit einem ersten Durchmesser erzeugt wird, dann ausgehend von dem Durchgangsloch (20) Material (23) abgetragen wird,
um den Diffusorbereich (13) im Bereich der äußeren Oberfläche (4) fertigzustellen,
wodurch auch ein Teil (24) des herzustellenden inneren ersten Abschnitts (10) nahe der inneren Oberfläche (5) abge¬ tragen wird,
und einem letzten Verfahrensschritt,
der zylindrische Anteil (10) mit einem zweiten Durchmesser, der mindestens 20% größer ist als der erste Durchmesser des Initiallochs (20) durch Abtragung von Material (25) nahe der inneren Fläche (5) erzeugt wird,
indem restliches Material (25) nahe der inneren Oberfläche (5) abgetragen wird,
um die gewünschte Endergometrie des inneren ersten Ab¬ schnitts (10) zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem das Formloch (30) in einer Wand (7) einer Turbinen schaufei erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die äußere Oberfläche (4) der Wand (7) nicht be¬ schichtet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem auf der äußeren Oberfläche (4) auf der Wand (7) eine metallische und/oder eine keramische Schicht aufge¬ bracht ist,
und das Formloch (30) durch die Schichten hindurch eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem das Durchgangsloch (20) mit einem Millisekundenlaser herstellt wird,
insbesondere nur mit einem Millisekundenlaser hergestellt wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem das Durchgangsloch (20) so erzeugt wird, dass eine Tangente des Zylinders des Durchgangslochs (20) gleich einer Tangente des inneren ersten Abschnitts darstellt.
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