WO2018215519A1 - Verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel und turbinenschaufel - Google Patents

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WO2018215519A1
WO2018215519A1 PCT/EP2018/063467 EP2018063467W WO2018215519A1 WO 2018215519 A1 WO2018215519 A1 WO 2018215519A1 EP 2018063467 W EP2018063467 W EP 2018063467W WO 2018215519 A1 WO2018215519 A1 WO 2018215519A1
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turbine blade
cavity
main extension
extension axis
crack
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PCT/EP2018/063467
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Massimiliano BIANCHINI
Olga Deiss
Alexander SCHAUFLER
Thorsten SCHÜLER
Stefan Völker
Marcus Gwenner
Waldemar Heckel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a turbine blade. Furthermore, the invention relates to a derarti ⁇ ge turbine blade, a blade ring and a turbine.
  • Combined cycle power plants are power plants that combine the principles of a gas turbine power plant and a steam power plant.
  • a gas turbine serves as a heat source for a downstream waste heat boiler, which in turn acts as a steam generator for the steam turbine.
  • a higher degree of efficiency is achieved in the thermodynamic cycle than with gas turbines in open operation or in conventionally fired steam power plants.
  • a further increase in the efficiency of combined cycle power plants requires raising the hot gas temperatures of a gas turbine while reducing the cooling air.
  • customers are demanding ever more flexible power plant operation, such as faster starts or fast gradients for frequency support.
  • both lead to increased stationary and transient temperature gradients in the hot gas components between the hot and cold gas side and due to the mechanical hindrance of the associated expansions or deformations to mechanical stresses and increased risk of cracking.
  • By cracking it can continue to flake off the thermal insulation layer (thermal barrier coating - TBC) are that the TBC the forces and moments Transd ⁇ men can not, if the carrier material is damaged.
  • a turbine blade is produced by means of an ad ⁇ ditive manufacturing technology, wherein the turbine blade section defined a closed
  • Cavity for limiting a crack growth of a crack is formed on ⁇ pointing.
  • additive manufacturing technologies are also known as rapid prototyping processes for the rapid and cost-effective production of models, samples, prototypes, tools and end products on the basis of computer-internal data models (handover mostly via the STL interface) from formless (liquids, Ge ⁇ len / pastes, powders u. ä.), or form a neutral (strip, wire-shaped, sheet-shaped) material by means of chemical and / or physical processes.
  • formless liquids, Ge ⁇ len / pastes, powders u. ä.
  • neutral strip, wire-shaped, sheet-shaped
  • An additive manufacturing process is 3D printing. When 3D printing three-dimensional workpieces in layers up ⁇ builds.
  • the structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to predetermined dimensions and shapes (CAD). During the construction, physical or chemical hardening or melting processes take place. Typical materials for 3D printing are plastics, resins, ceramics and metals. Further, the turbine blade may at least partially a heat protective layer - have ⁇ (thermal barrier coating TBC).
  • cavities with a defined shape are formed, ie the cavities each have a predetermined shape.
  • a crack may grow into the cavity, preventing further crack growth by the generally rounded shape of the cavity which directs the crack-generating stresses around the cavity.
  • the usually very high stress intensity factor at the crack front is diverted in the aforementioned cavity by the rounded geometry is in the spontaneous reduced copy ⁇ tion of stress intensity factor.
  • the crack is thus stopped and the progression or renewed nucleation is prevented, for example, by a rounded geometry of the cavities.
  • the invention avoids crack initiation per se, but instead suggests limiting the propagation of a crack.
  • the application of the cracks stopping cavities in said areas can increase the life of the components.
  • the presence of the crack towards the cavity may serve as a criterion for the actual life of the component in the field. This leaves determine a presumable residual life of the component.
  • a positive side effect is also ponentenmasse reducing the com-, which contributes to a reduction in the voltage level generally present, in particular when running show ⁇ feln which are exposed to a high centrifugal stress.
  • the reduced mass reduces the likelihood of nucleation.
  • the cavity is formed in the region of a front edge and / or trailing edge and / or in the mouth region of a support rib of the airfoil wall and / or a blade tip of an airfoil blade of the turbine blade.
  • crack growth can be counteracted, especially in areas exposed to particular stresses, such as a leading and / or trailing edge of a turbine blade.
  • the cavity is formed in a fillet region of the turbine blade.
  • intra ⁇ half the usual manufacturing tolerances is understood lying under substantially. Even so, crack growth in another area can be counteracted.
  • the cavity is formed substantially cylindrical.
  • the cavity may be a cylinder, on the end face of each hemisphere is placed.
  • the cavity is in the form of a tablet.
  • the cavity is formed substantially spangenförmig o- or spherical or rotating body-shaped.
  • ⁇ tolerances is understood lying under substantially within conventional Vietnamese ceremoniesstole.
  • the cavity has a rounded geometry gives no edges or cracks, crack growth can specifically limited in fillet areas of the turbine blade ⁇ to.
  • the cavity has a first section with a first main extension axis and a second section with a second main extension axis, wherein the first main extension axis and the second main extension axis are arranged differently aligned.
  • the first and the second main extension direction can be arranged at an angle of substantially 90 ° to each other. This is understood to mean lying essentially within usual manufacturing tolerances.
  • crack propagation of a crack coming from different directions can be effectively limited.
  • the cavity has a third section with a third main extension axis, wherein the second
  • Main extension axis and the third main extension axis are arranged differently aligned.
  • the third portion may be formed having a substantially cylindrical basic shape.
  • the second and the third main extension direction can be arranged aligned at an angle of substantially 90 ° to each other. Is understood to mean lying under substantially within übli ⁇ cher manufacturing tolerances. Thus, crack propagation of a crack coming from different directions can be more effectively limited.
  • the first principal axis and the third principal axis being substantially equal ⁇ directed are preferably be disposed. This is understood to mean lying essentially within normal manufacturing tolerances. Thus, crack propagation of a crack coming from different directions can be more effectively limited.
  • a plurality of cavities are formed preferably, the offset in at least two levels arranged one another ⁇ the.
  • the at least two planes are arranged in parallel extending surface, from which propagating a crack can propagate.
  • the at least two planes have different distances to this surface, wherein the cavities of the first plane are arranged offset from the cavities of the second plane. So they overlap in Be ⁇ train to a normal vector of the surface part. This ensures that a crack hits either a first level cavity or one of the second levels.
  • the two levels form a wall or wall or catching structure in which the crack is to catch.
  • the cavity is substantially lenticular or teardrop-shaped.
  • the first case is be ⁇ Sonder suitable when stress directions at un- ter Kunststofflichen operating points do not change, that is her ends are only lightly loaded.
  • the main advantage of this geometry is the very low space consumption and thus the applicability even with very small wall thicknesses. Overall, this geometry has a very small effect on the stiffness at its point of use.
  • the drop shape is suitable for producing a stable configuration in the case of a known crack propagation direction.
  • Crucial here is the asymmetry of the drop shape, which is given at the top of a high driving force that a crack is attracted, while the opposite rounded side have only moderate increase in voltage even with changed voltage directions.
  • the rounded shape and the low clamping voltage superelevation ⁇ a safe stop of the crack is guaranteed slightest ⁇ tet.
  • the following approach can be used for the design: First, by means of a simulation without a cavity, those areas are to be identified which tively high, possibly the life exhibit limiting Spannun ⁇ gen and have potential that a crack developed there. Then, the area is to be examined with a therein at ⁇ parent cavity. The corresponding crack, which runs from the stress concentration to the cavity, should be assumed to be present and simulated. Meets the geometry cavity and crack all from ⁇ design criteria, the design is successful. Furthermore, the invention includes such a turbine blade, a blade ring and a turbine.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a turbine blade.
  • FIG. 2 shows a section of the turbine blade shown in FIG. 1.
  • Fig. 3 is a sectional view of a portion of the turbine blade shown in Fig. 1.
  • 4 is a further sectional view of a portion of the turbine blade shown in FIG. 1.
  • Fig. 5 is a sectional view taken along the line A-A in
  • FIG. 6 is another sectional view of a portion of the turbine blade illustrated in FIG. 1;
  • FIG. 8 shows FIG. 7 as detail X a detail from the sectional view of FIG. representation of the turbine blades without cavity
  • the turbine blade 1 may be formed as a blade or vane of a blade ring of a turbine.
  • a rotating Strömungsma ⁇ machine Under a turbine, a rotating Strömungsma ⁇ machine is understood that the drop of internal energy of a flowing fluid (liquid or gas) into mechanical power umstructure and discharges via a shaft.
  • Guide vanes are firmly installed in the housing of the turbine and guide the working medium at the optimum angle to the rotor blades, which are located on rotatable shafts. A coupling of the mechanically usable power between the turbine and the fluid takes place via the rotor blades.
  • the entirety of the blades of a turbine is also called blading.
  • a blade ring of blades with the associated blade ring of vanes is called a stage of the turbine.
  • Blading from the turbine can be multi-level.
  • the turbine may be designed as a gas turbine and, e.g. be used in a combined cycle power plant.
  • a combined cycle power plant (also gas and steam combined cycle power plant or gas and steam turbine power plant) means a power plant in which the principles of a gas turbine power plant and a steam power plant are combined.
  • a gas turbine serves as a heat source for a downstream switched waste heat boiler, which in turn acts as a steam generator for the steam turbine.
  • the turbine blade 1 is designed as a rotor blade. It has in the present embodiment, an airfoil 2, a platform 3 and a mounting portion 4. Notwithstanding the present ⁇ embodiment, the turbine blade 1 may also be formed as a guide vane.
  • the airfoil 2 has a front edge 5 and a rear edge 6 ⁇ .
  • a medium flowing around the blade 2 is divided at the front edge 5 and combined at the Hin ⁇ terkante 6 again.
  • Pressure side wall and suction side wall are interconnected by a plurality of support ribs 20.
  • the airfoil 2 merges into the platform 3.
  • the attachment section 4 connects.
  • the fixing portion 4 is formed for mounting the turbine blade 1 to a shaft or to ei ⁇ nem rotor of the turbine.
  • the turbine blade 1 is formed in one piece and of uniform material. Notwithstanding the present embodiment, the turbine show ⁇ fel 1 also be made of several parts and / or of different materials.
  • the turbine blade 1 was manufactured using additive manufacturing technology. Further, the turbine blade 1 can ⁇ least in sections, a thermal insulation layer (thermal bar rier Coating - TBC) have.
  • a thermal insulation layer thermal bar rier Coating - TBC
  • additive manufacturing technologies are also known as rapid prototyping processes for the rapid and cost-effective production of models, samples, prototypes, tools and end products. understood. This production takes place here on the basis of computer-internal data models (handover mostly via the STL interface) from formless (liquids, Ge ⁇ len / pastes, powders u. ⁇ .), Or form a neutral (strip, wire-shaped, sheet-shaped) material by means of chemical and / or physical processes. Although it is archetype end process, no specially ⁇ len tools are required for a specific product, which saved the respective geometry of the workpiece.
  • AM additive manufacturing
  • One method of additive manufacturing technologies is the selective laser melting process. This allows construction ⁇ parts of different materials, such as an aluminum alloy AlSilOMg, a superalloy for high temperature applications MP1 -.
  • CoCrMo a high-performance steel Mara was MSI steel, stainless steels or plastics manufacture.
  • 3D printing Another additive manufacturing process is 3D printing.
  • 3D printing three-dimensional workpieces are built up layer by layer.
  • the structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to predetermined dimensions and shapes (CAD).
  • CAD dimensions and shapes
  • Ty ⁇
  • the turbine blade 1 is made in the presentspecsbei ⁇ game of a nickel-based alloy_.
  • Alternative materials are cobalt-based alloys.
  • the turbine blade 1 is thermally stressed by a flowing medium and mechanically by centrifugal forces acting radially outward along the main extension direction of the turbine blade 1.
  • FIG. 3 Shown is a section of the fillet area 7 in FIG
  • a plurality of cavities 8 are provided.
  • the cavities 8 are gas-filled in the present embodiment, eg luftge ⁇ fills formed. Notwithstanding the present embodiment ⁇ example, the cavities 8 may also be filled with a solid or liquid material having other material properties than the surrounding the cavities 8 material.
  • the cavities have in the present embodiment Ab ⁇ measurements / diameter, which are in the range of 0.1 millimeters to 100 millimeters, for example in the range of 1 to 10 millimeters. Notwithstanding the present embodiment, the dimensions / diameters in the range of micrometers 0.1 to 100 microns, for example in the range of 1 to 10 microns.
  • the cavities are sent out in a plurality of planes 8 is arranged to each other, being characterized for clarity ⁇ friendliness in Fig. 3, only two levels 10, 11 of four levels with reference numerals.
  • the two planes 10, 11 are arranged extending parallel to the blade surface and have under defenceli ⁇ che distances to the blade surface .
  • the cavities 8 of the first plane 10 are arranged offset relative to the cavities 8 of the second plane 11, such that they partially overlap with respect to a normal vector of the airfoil surface, so as to ensure that the
  • Crack 8 hits either a cavity 8 of the first plane 10 or the second plane 11.
  • the two Planes 10, 11 form a wall or wall or collecting structure in which the crack 9 is to be caught.
  • the cavities 8 have a shape defined by additive manufacturing technology and are closed, ie. they have no connection, e.g. to the blade surface.
  • the cavities 8 have a rounded geometry without edges or cracks.
  • the cavities 8 are formed substantially spherical. Since ⁇ is substantially lying under understood within the usual manufacturing tolerances in ⁇ . Notwithstanding, the Hohlley ⁇ me 8 may also be formed substantially like a spike or a rotating body.
  • the crack 9 can thus grow into the cavity 8, wherein further crack growth is prevented by the generally rounded shape of the cavity 8, which guide the crack-generating stresses around the cavity 8.
  • the usually very high stress intensity factor at the crack front of the crack 9 is deflected into the cavity 8 in which a spontaneous reduction of theistsintensi- tucislibs is generated by the substitutetown ⁇ te geometry.
  • the crack growth is thus stopped and the progression or renewed nucleation is prevented by a rounded geometry.
  • FIGS. 4 and 5 another embodiment of the cavities 8 will be explained.
  • the cavities 8 are formed substantially cylindrical. It is under substantially within usual manufacturing tolerances lying understood. Furthermore, the shape of an elongated ellipsoid of revolution is understood as meaning essentially cylindrical. In the present embodiment, the cavities are 8 cylinders on the end faces of each hemisphere is placed. Thus, the cavities 8 each ⁇ Weils the shape of a tablet.
  • the cavities 8 of this embodiment have a
  • Main extension axis 12, along the dimensions of the respective cavities 8 are larger than along other extension axes.
  • the main extension axis 12 lies in the respective plane 10, 11.
  • the main extension axis 12 extends parallel to the blade leaf surface .
  • the hollow spaces 8 has a first portion 13 having a first main axis 16, a second portion 14 having a second main axis 17, and a third From ⁇ section 15 with a third main axis 18th
  • the respective sections 13, 14, 15 of the cavities 8 have dimensions along their respective main extension axes 16, 17, 18 which are larger than along other extension axes.
  • the first portion 13 having a first main axis 16, a second portion 14 having a second main axis 17, and a third From ⁇ section 15 with a third main axis 18th
  • the respective sections 13, 14, 15 of the cavities 8 have dimensions along their respective main extension axes 16, 17, 18 which are larger than along other extension axes.
  • the first portion 13 having a first main axis 16
  • second portion 14 having a second main axis 17
  • the respective sections 13, 14, 15 of the cavities 8 have dimensions along their respective main extension axes 16, 17, 18 which are larger than along other extension axe
  • Main extension axis 16 and the second main extension ⁇ axis 17 and the second main extension axis 17 and the third main extension axis 18 are aligned differently arranged, while the first main extension axis 16 and the third main extension axis 18 are arranged substantially aligned. In this case, under the Wesentli ⁇ surfaces within the usual manufacturing tolerances lying understood to.
  • first main extension axis 16 and the second main extension axis 17 and the second main extension axis 17 and the third main extension axis 18 each have an angle of 90 ° to one another. Notwithstanding the present embodiment, the angle can have other values and does not necessarily have to be the same size.
  • the effect of the voids 9 shown in Fig. 6 on the crack growth of the crack 9 is the same as the hollow space ⁇ 8 according to the shown in Fig. 3 the first execution ⁇ example.
  • Herge ⁇ represents.
  • the production process is controlled such that the turbine blade 1 at least in sections, such as in the region of the front ⁇ edge 5 and / or trailing edge 6 and / or in Fillet area 7 a plurality of closed cavities 8 with a defined shape , such as in each case substantially cylindrical
  • Figures 7 and 8 show schematically an approach for determining the location and shape of crack stopping cavities.
  • areas are identified which have high stresses and potential to develop a crack.
  • Fig. 7 can be han spindles ⁇ on the pressure side wall around the mouth portion 21 of a support rib 20 in an exemplary manner. This results in a potential crack starting point 21 from the simulation.
  • the same area is but now taking into account an existing cavity 8 (FIG. 8).
  • the corresponding crack 9, which runs from the stress concentration 21 to the cavity 8, should be assumed to be present and simulated.
  • Fig. 9 shows a cavity 8 in the form of a lens
  • Fig. 10 shows a cavity 8 in the form of a drop. It makes sense that the tip end of the drop is usually facing the interior of the turbine bowl, while the rounded end of the bowl

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (1), wobei die Turbinenschaufel (1) mittels einer additiven Fertigungstechnologie gefertigt wird, wobei die Turbinenschaufel (1) abschnittsweise einen geschlossenen definierten Hohlraum (8) zum Begrenzen eines Risswachstums eines Risses (9) aufweisend ausgebildet wird.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER TURBINENSCHAUFEL UND TURBINENSCHAUFEL
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel. Ferner betrifft die Erfindung eine derarti¬ ge Turbinenschaufel, einen Schaufelkranz und eine Turbine.
GuD-Kraftwerke (auch Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk oder Gas- und-Dampfturbinen-Kraftwerk) sind Kraftwerke, die die Prinzipien eines Gasturbinenkraftwerkes und eines Dampfkraftwerkes kombinieren. Eine Gasturbine dient dabei als Wärmequelle für einen nachgeschalteten Abhitzekessel, der wiederum als Dampferzeuger für die Dampfturbine wirkt. Mit dieser kombinierten Fahrweise wird im thermodynamischen Kreisprozess ein höherer Wirkungsgrad erreicht als mit Gasturbinen im offenen Betrieb oder in konventionell befeuerten Dampfkraftwerken.
Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades von GuD- Kraftwerken erfordert die Anhebung der Heißgastemperaturen einer Gasturbine bei gleichzeitiger Reduzierung der Kühlluft. Ferner verlangen Kunden einen immer flexibleren Kraftwerksbetrieb, wie z.B. schnellere Starts oder schnelle Gradienten zur Frequenzunterstützung. Beides führt jedoch zu erhöhten stationären und transienten Temperaturgradienten in den Heißgasbauteilen zwischen der Heiß- und Kaltgasseite und aufgrund der mechanischen Behinderung der zugehörigen Dehnungen bzw. Verformungen zu mechanischen Spannungen und erhöhtem Rissbil- dungsrisiko. Durch die Rissbildung kann es weiterhin zu einem Abplatzen der Wärmeschutzschicht (Thermal Barrier Coating - TBC) kommen, das die TBC die Kräfte und Momente nicht aufneh¬ men kann, wenn das Trägermaterial beschädigt ist. Bei Leit¬ schaufeln trägt ferner die aus Kostengrünen und zur Reduzierung der Leckageluft gewünschte Reduzierung der Schaufelanzahlen zu einer Steigerung der mechanischen Verspannungen bei, da die vergrößerten Plattformen sich infolge der gegenseitige Kopplung mit Dichtelementen an der Verformung hindern . Durch ein entsprechendes Design und Kühlung der Bauteile wird versucht, die mechanischen Spannungen zu reduzieren. Trotzdem gibt es Bereiche, in denen es zur Rissbildung kommt. Ursache sind in der Regel hohe Temperaturgradienten im Bauteil, z.B. im Übergang vom Schaufelblatt und Plattform, insbesondere im Bereich der Vorderkante, oder Bereiche, die mechanisch weniger robust sind, z.B. aufgrund geringerer Wandstärken im Bereich der Hinterkante, oder eine Kombination aus beidem. Bei konventioneller Fertigung lässt sich die Rissgefahr aufgrund der aerodynamischen und mechanischen Anforderungen in der Regel nicht komplett eliminieren.
Es besteht daher Bedarf daran, Wege aufzuzeigen, wie die Rissgefahr weiter reduziert und damit die Betriebsdauer einer Turbinenschaufel weiter erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Turbinenschaufel mittels einer ad¬ ditiven Fertigungstechnologie gefertigt, wobei die Turbinen- schaufei abschnittsweise einen geschlossenen definierten
Hohlraum zum Begrenzen eines Risswachstums eines Risses auf¬ weisend ausgebildet wird.
Unter additiven Fertigungstechnologien (auch generative Fer- tigungsverfahren bzw. additive Fertigung - englisch: additive manufacturing (AM) werden auch als rapid prototyping bezeichneten Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten verstanden. Diese Fertigung erfolgt hierbei direkt auf der Basis rechnerinterner Datenmodelle (Übergabe meist über die STL-Schnittstelle) aus formlosem (Flüssigkeiten, Ge¬ len/Pasten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, draht- förmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich um urformende Verfah- ren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziel¬ len Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben. Ein additives Fertigungsverfahren ist der 3D-Druck. Beim 3D- Druck werden dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufge¬ baut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD) . Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Ferner kann die Turbinenschaufel zumindest abschnittsweise eine Wärmeschutzschicht (Thermal Barrier Coating - TBC) auf¬ weisen .
Um das Risswachstum zu verhindern werden geschlossene Hohl- räume mit einer definierten Form gebildet, d.h. die Hohlräume weisen jeweils eine vorbestimmte Form auf. Ein Riss kann in den Hohlraum wachsen, wobei durch die generell abgerundete Form des Hohlraums, die die risserzeugenden Spannungen um den Hohlraum leiten, ein weiteres Risswachstum verhindert wird. Der üblicherweise sehr hohe Spannungsintensitätsfaktor an der Rissfront wird umgelenkt in den vorher genannten Hohlraum, in dem durch die abgerundete Geometrie eine spontane Verringe¬ rung des Spannungsintensitätsfaktors erfolgt. Der Riss wird somit gestoppt und die Fortschreitung bzw. neuerliche Nuklea- tion wird durch z.B. eine abgerundete Geometrie der Hohlräume verhindert. Somit wendet sich die Erfindung davon ab, die Rissbildung an sich zu unterbinden, sondern schlägt stattdessen vor, die Ausbreitung eines Risses zu beschränken. Unter der Berücksichtigung der Erkenntnis, dass üblicherweise die Lebensdauer von Turbinenkomponenten von wenigen, sehr lokalen Stellen mit den höchsten Spannungen der Komponente geprägt ist, kann die Anwendung der die Risse stoppenden Hohlräume in den besagten Bereichen die Lebensdauer der Komponen- ten erhöhen. Zusätzlich kann das Vorhandensein des Risses zum Hohlraum hin als Kriterium für die tatsächlich aufgebrauchte Lebensdauer der Komponente im Feld dienen. Hierdurch lässt sich eine vermutliche Restlebensdauer der Komponente bestimmen .
Ein positiver Nebeneffekt ist zudem die Reduzierung der Kom- ponentenmasse, was zu einer Reduzierung der allgemein vorliegenden Spannungshöhe beiträgt, insbesondere bei Laufschau¬ feln, welche einer hohen Fliehkraftbeanspruchung ausgesetzt sind. Die reduzierte Masse reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Nukleation.
Bevorzugt wird der Hohlraum im Bereich einer Vorderkante und/oder Hinterkante und/oder im Mündungsbereich einer Stützrippe der Schaufelblattwand und/oder einer Schaufelspitze ei¬ nes Schaufelblattes der Turbinenschaufel gebildet. So kann einem Risswachstum speziell in besonderen Belastungen ausgesetzten Bereichen, wie einer Vorder- und/oder Hinterkante einer Turbinenschaufel, entgegengewirkt werden.
Bevorzugt wird der Hohlraum in einem Fillet-Bereich der Tur- binenschaufel gebildet. Dabei wird unter im Wesentlich inner¬ halb üblicher Fertigungstoleranzen liegend verstanden. Auch so kann einem Risswachstum in einem weiteren Bereich entgegengewirkt werden. Bevorzugt wird der Hohlraum im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Z.B. kann der Hohlraum ein Zylinder sein, auf dessen Stirnfläche je eine Halbkugel aufgesetzt ist. Somit weist der Hohlraum die Form einer Tablette auf. Mit einer derartigen Formgebung der Hohlräume kann ein Risswachstum speziell im Bereich der Vorder- und/oder Hinterkante der Turbinenschaufel begrenzt werden, in dem Belastungen durch
Fliehkraft vorherrschen.
Bevorzugt wird der Hohlraum im Wesentlichen spährenförmig o- der kugelförmig oder rotationkörperförmig ausgebildet. Dabei wird unter im Wesentlich innerhalb üblicher Fertigungstole¬ ranzen liegend verstanden. Mit einer derartigen Formgebung des Hohlraumes, die dem Hohlraum eine abgerundete Geometrie ohne Kanten oder Sprünge verleiht, kann ein Risswachstum speziell in Fillet-Bereichen der Turbinenschaufel begrenzt wer¬ den . Bevorzugt weist der Hohlraum einen ersten Abschnitt mit einer ersten Haupterstreckungsachse und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Haupterstreckungsachse auf, wobei die erste Haupterstreckungsachse und die zweite Haupterstreckungsachse unterschiedlich ausgerichtet angeordnet werden. Z.B. können der erste und/oder der zweite Abschnitt jeweils eine im We¬ sentlichen zylinderförmige Grundform aufweisend ausgebildet werden. Ferner können z.B. die erste und die zweite Haupter- streckungsrichtung in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander ausgerichtet angeordnet werden. Dabei wird unter im Wesentlich innerhalb üblicher Fertigungstoleranzen liegend verstanden. So kann ein Risswachstum eines aus verschiedenen Richtungen kommenden Risses wirksam begrenzt werden.
Bevorzugt weist der Hohlraum einen dritten Abschnitt mit ei- ner dritten Haupterstreckungsachse auf, wobei die zweite
Haupterstreckungsachse und die dritte Haupterstreckungsachse unterschiedlich ausgerichtet angeordnet werden. Auch der dritte Abschnitt kann eine im Wesentlichen zylinderförmige Grundform aufweisend ausgebildet werden. Ferner können z.B. die zweite und die dritte Haupterstreckungsrichtung in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander ausgerichtet angeordnet werden. Dabei wird unter im Wesentlich innerhalb übli¬ cher Fertigungstoleranzen liegend verstanden. So kann ein Risswachstum eines aus verschiedenen Richtungen kommenden Risses noch wirksamer begrenzt werden.
Bevorzugt werden die erste Haupterstreckungsachse und die dritte Haupterstreckungsachse im Wesentlichen gleich ausge¬ richtet angeordnet werden. Dabei wird unter im Wesentlich in- nerhalb üblicher Fertigungstoleranzen liegend verstanden. So kann ein Risswachstum eines aus verschiedenen Richtungen kommenden Risses nochmals wirksamer begrenzt werden. Bevorzugt werden eine Mehrzahl von Hohlräumen gebildet, die in zumindest zwei Ebenen versetzt zueinander angeordnet wer¬ den . Die zumindest zwei Ebenen sind sich parallel erstreckend Oberfläche angeordnet, von der sich fortpflanzend ein Riss ausbreiten kann. Die zumindest zwei Ebenen weisen unterschiedliche Abstände zu dieser Oberfläche auf, wobei die Hohlräume der ersten Ebene versetzt zu den Hohlräumen der zweiten Ebene angeordnet sind. So überlappen sie sich in Be¬ zug auf einen Normalenvektor der Oberfläche teilweise. Dies stellt sicher, dass ein Riss entweder auf einen Hohlraum der ersten Ebene oder einen der zweiten Ebenen trifft. Mit anderen Worten, die beiden Ebenen bilden eine Mauer oder Wand bzw. Auffangstruktur, in der sich der Riss verfangen soll.
Weiter bevorzugt ist der der Hohlraum im Wesentlichen linsenförmig oder tropfenförmig ausgebildet. Der erste Fall ist be¬ sonders gut geeignet, wenn sich Spannungsrichtungen bei un- terschiedlichen Betriebspunkten nicht ändern, d.h. die Spitzeren Enden nur gering belastet sind. Der Hauptvorteil dieser Geometrie ist der sehr geringe Platzverbrauch und dadurch die Anwendbarkeit auch bei sehr geringen Wandstärken. Insgesamt hat diese Geometrie eine sehr geringe Auswirkung auf die Steifigkeit an seiner Verwendungsstelle. Die Tropfenform ist dagegen geeignet, um bei bekannter Rissfortschrittsrichtung eine stabile Konfiguration zu erzeugen. Entscheidend dabei ist die Asymmetrie der Tropfenform, wodurch an der Spitze eine hohe Triebkraft gegeben ist, dass ein Riss angezogen wird, während die gegenüberliegende abgerundete Seite nur moderate Spannungsüberhöhung auch bei veränderten Spannungsrichtungen aufweisen. Durch die abgerundete Form und die geringe Span¬ nungsüberhöhung ist ein sicherer Stopp des Risses gewährleis¬ tet .
Zur Auslegung kann darüber hinaus folgenden Herangehensweise angewendet werden: Zunächst sind durch eine Simulation ohne Hohlraum diejenigen Bereiche zu identifizieren, welche ver- gleichsweise hohe, ggf. die Lebensdauer begrenzende Spannun¬ gen aufweisen und potential haben, dass sich ein Riss dort entwickelt. Anschließend soll der Bereich mit einem darin an¬ geordneten Hohlraum untersucht werden. Der entsprechende Riss, welcher von der Spannungskonzentration zum Hohlraum verläuft, soll als vorhanden angenommen werden und simuliert werden. Erfüllt die Geometrie mit Hohlraum und Riss alle Aus¬ legungskriterien, so ist der Entwurf erfolgreich. Ferner gehören zur Erfindung eine derartige Turbinenschaufel, ein Schaufelkranz und eine Turbine.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel.
Fig. 2 einen Abschnitt der in Fig. 1 dargestellten Turbinen- schaufei.
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Abschnitts der in Fig. 1 dargestellten Turbinenschaufel. Fig. 4 eine weitere Schnittdarstellung eines Abschnitts der in Fig. 1 dargestellten Turbinenschaufel.
Fig. 5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in
Fig.4.
Fig. 6 eine weitere Schnittdarstellung eines Abschnitts der in Fig. 1 dargestellten Turbinenschaufel,
Fig. 7 als Detail X einen Ausschnitt aus der Schnittdarstel- lung der Turbinenschaufeln ohne Hohlraum,
Fig. 8 Fig. 7 als Detail X einen Ausschnitt aus der Schnitt- darstellung der Turbinenschaufeln ohne Hohlraum,
Fig. 9 und 10 zwei Ausführungsbeispiele von unterschiedlich gestalteten Hohlräumen.
Es wird zunächst auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen.
Dargestellt ist eine Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 kann als Lauf- oder Leitschaufel eines Schaufelkranzes einer Turbine ausgebildet sein.
Unter einer Turbine wird dabei eine rotierende Strömungsma¬ schine verstanden, welche das Abfallen einer inneren Energie eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in mechanische Leistung umwände und über eine Welle abgibt.
Leitschaufeln sind fest im Gehäuse der Turbine eingebaut und leiten das Arbeitsmedium im optimalen Winkel auf die Lauf- schaufeln, die sich auf drehbaren Wellen befinden. Über die Laufschaufeln erfolgt eine Kopplung der mechanisch nutzbaren Leistung zwischen der Turbine und dem Fluid.
Die Gesamtheit der Schaufeln einer Turbine wird auch als Be- schaufelung bezeichnet. Einen Schaufelkranz von Laufschaufeln mit dem zugehörigen Schaufelkranz von Leitschaufeln nennt man eine Stufe der Turbine. Die Beschaufelung von der Turbine kann mehrstufig sein. Die Turbine kann als Gasturbine ausgebildet sein und z.B. in einem GuD-Kraftwerk eingesetzt werden.
Dabei wird unter einem GuD-Kraftwerk (auch Gas-und-Dampf- Kombikraftwerk oder Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk) ein Kraftwerk verstanden, in dem die Prinzipien eines Gasturbinenkraftwerkes und eines Dampfkraftwerkes kombiniert werden. Eine Gasturbine dient dabei als Wärmequelle für einen nachge- schalteten Abhitzekessel, der wiederum als Dampferzeuger für die Dampfturbine wirkt.
Die Turbinenschaufel 1 ist im vorliegenden Ausführungsbei- spiel als Laufschaufei ausgebildet. Sie weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Schaufelblatt 2, eine Plattform 3 und einen Befestigungsabschnitt 4 auf. Abweichend vom vorliegen¬ den Ausführungsbeispiel kann die Turbinenschaufel 1 auch als Leitschaufel ausgebildet sein.
Das Schaufelblatt 2 weist eine Vorderkante 5 und eine Hinter¬ kante 6 auf. Ein das Schaufelblatt 2 umströmendes Medium wird an der Vorderkante 5 geteilt und vereinigt sich an der Hin¬ terkante 6 wieder. Druckseitenwand und Saugseitenwand sind durch mehrere Stützrippen 20 miteinander verbunden.
In einem Fillet-Bereich 7 geht das Schaufelblatt 2 in die Plattform 3 über. An die Plattform 3 schließt sich der Befestigungsabschnitt 4 an. Der Befestigungsabschnitt 4 ist zum Befestigen der Turbinenschaufel 1 an einer Welle bzw. an ei¬ nem Rotor der Turbine ausgebildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Turbinenschaufel 1 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Turbinenschau¬ fel 1 auch mehrteilig und/oder aus verschiedenen Materialien gefertigt sein.
Die Turbinenschaufel 1 wurde mittels additiven Fertigungs- technologie gefertigt. Ferner kann die Turbinenschaufel 1 zu¬ mindest abschnittsweise eine Wärmeschutzschicht (Thermal Bar- rier Coating - TBC) aufweisen.
Unter additiven Fertigungstechnologien (auch generative Fer- tigungsverfahren bzw. additive Fertigung - englisch: additive manufacturing (AM) werden auch als rapid prototyping bezeichneten Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endproduk- ten verstanden. Diese Fertigung erfolgt hierbei direkt auf der Basis rechnerinterner Datenmodelle (Übergabe meist über die STL-Schnittstelle) aus formlosem (Flüssigkeiten, Ge¬ len/Pasten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, draht- förmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich um urformende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziel¬ len Werkzeuge erforderlich, welche die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben.
Ein Verfahren der additiven Fertigungstechnologien ist das selektive Laser-Schmelzverfahren. Dieses ermöglicht es, Bau¬ teile aus verschiedenen Materialien, wie bspw. einer Aluminiumlegierung AlSilOMg, einer Superlegierung für Hochtempera- turanwendungen MP1 - CoCrMo, einem Hochleistungsstahl Mara- gingSteel MSI, Edelstahlen oder Kunststoffen herzustellen.
Ein weiteres additives Fertigungsverfahren ist der 3D-Druck. Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem o- der mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD) . Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Ty¬ pische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunst- harze, Keramiken und Metalle.
Die Turbinenschaufel 1 ist im vorliegenden Ausführungsbei¬ spiel aus einer Nickel-Basis-Legierung_gefertigt . Alternative Materialien sind Cobalt-Basis-Legierungen .
Im Betrieb wird die Turbinenschaufel 1 thermisch durch ein strömendes Medium und mechanisch durch Fliehkräfte beansprucht, die radial auswärts entlang der Haupterstreckungs- richtung der Turbinenschaufel 1 wirken.
Es wird nun zusätzlich auf Fig. 3 Bezug genommen. Dargestellt ist ein Abschnitt des Fillet-Bereichs 7 in
Schnittdarstellung .
Zu erkennen ist, dass sich ein Riss 9 ausgehend von einer Schaufelblattoberfläche ins Innere des Schaufelblattes 2 aus¬ breitet .
Um das Risswachstum des Risses 9 zu begrenzen ist eine Mehrzahl von Hohlräumen 8 vorgesehen. Die Hohlräume 8 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gasgefüllt, z.B. luftge¬ füllt, ausgebildet. Abweichend vom vorliegenden Ausführungs¬ beispiel können die Hohlräume 8 auch mit einem festen oder flüssigen Material gefüllt sein, das andere Materialeigenschaften als das die Hohlräume 8 umgebende Material aufweist.
Die Hohlräume weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ab¬ messungen / Durchmesser auf, die im Bereich von 0,1 Millimetern bis 100 Millimetern, z.B. im Bereich von 1 bis 10 Millimeter liegen. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Abmessungen / Durchmesser die im Bereich von Mikrometern 0,1 bis 100 Mikrometern, z.B. im Bereich von 1 bis 10 Mikrometer liegen.
Dabei sind die Hohlräume 8 in einer Mehrzahl von Ebenen ver- setzt zueinander angeordnet, wobei aus Gründen der Übersicht¬ lichkeit in der Fig. 3 nur zwei Ebenen 10, 11 von vier Ebenen mit Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Die beiden Ebenen 10, 11 sind sich parallel erstreckend zur Schaufelblattoberfläche angeordnet und weisen unterschiedli¬ che Abstände zur Schaufelblattoberfläche auf. Dabei sind die Hohlräume 8 der ersten Ebene 10 versetzt zu den Hohlräume 8 der zweiten Ebene 11 angeordnet, derart, dass sie in Bezug auf einen Normalenvektor der Schaufelblattoberfläche sich teilweise überlappen, so dass sichergestellt ist, dass der
Riss 8 entweder auf einen Hohlraum 8 der ersten Ebene 10 oder der zweiten Ebenen 11 trifft. Mit anderen Worten, die beiden Ebenen 10, 11 bilden eine Mauer oder Wand bzw. Auffangstruk- tur, in der sich der Riss 9 verfangen soll.
Die Hohlräume 8 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine durch die additive Fertigungstechnologie definierte Form auf und sind geschlossen ausgebildet, d.h. sie weisen keine Verbindung z.B. zur Schaufelblattoberfläche auf.
Die Hohlräume 8 weisen eine abgerundete Geometrie ohne Kanten oder Sprünge auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Hohlräume 8 im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet. Da¬ bei wird unter im Wesentlichen innerhalb üblicher Fertigungs¬ toleranzen liegend verstanden. Abweichend können die Hohlräu¬ me 8 auch im Wesentlichen spährenförmig oder rotationkörper- förmig ausgebildet sein.
Der Riss 9 kann somit in den Hohlraum 8 wachsen, wobei durch die generell abgerundete Form des Hohlraums 8, welche die risserzeugenden Spannungen um den Hohlraum 8 leiten, ein wei- teres Risswachstum verhindert wird. Der üblicherweise sehr hohe Spannungsintensitätsfaktor an der Rissfront des Risses 9 wird umgelenkt in den Hohlraum 8, in dem durch die abgerunde¬ te Geometrie eine spontane Verringerung des Spannungsintensi- tätsfaktors generiert wird. Das Risswachstum wird somit ge- stoppt und die Fortschreitung bzw. neuerliche Nukleation wird durch eine abgerundete Geometrie verhindert.
Es wird nun unter zusätzliche Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Hohlräume 8 erläutert.
Dargestellt ist ein Abschnitt der Vorderkante 5 oder Hinter¬ kante 6 in Schnittdarstellung. Zu erkennen ist, dass die Hohlräume 8 wie bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbei¬ spiel in zumindest zwei Ebenen 10, 11 angeordnet sind.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel sind die Hohlräume 8 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Dabei wird unter im Wesentlichen innerhalb üblicher Fertigungstoleranzen liegend verstanden. Ferner wird unter im Wesentlichen zylinderförmig auch die Form eines verlängerten Rotationsellipsoids verstanden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Hohlräume 8 Zylinder, auf deren Stirnflächen je eine Halbkugel aufgesetzt ist. Somit weisen die Hohlräume 8 je¬ weils die Form einer Tablette auf.
Die Hohlräume 8 dieses Ausführungsbeispiels weisen eine
Haupterstreckungsachse 12 auf, entlang der Abmessungen der jeweiligen Hohlräume 8 größer als entlang anderer Erstreckungsachsen sind. Dabei liegt die Haupterstreckungsachse 12 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der jeweiligen Ebene 10, 11. Mit anderen Worten, die Haupterstreckungsachse 12 er¬ streckt sich parallel zur Schaufelblattoberfläche.
Die Wirkung der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Hohlräume 9 auf das Risswachstum des Risses 9 ist die gleiche wie der Hohlräume 8 gemäß des in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels .
Es wird nun unter zusätzliche Bezugnahme auf Fig. 6 ein wei¬ teres Ausführungsbeispiel der Hohlräume 8 erläutert.
Abweichend vom zweiten Ausführungsbeispiel weisen die Hohl- räume 8 einen ersten Abschnitt 13 mit einer ersten Haupterstreckungsachse 16, einen zweiten Abschnitt 14 mit einer zweiten Haupterstreckungsachse 17, und einen dritten Ab¬ schnitt 15 mit einer dritten Haupterstreckungsachse 18 auf. Die jeweiligen Abschnitte 13, 14, 15 der Hohlräume 8 weisen entlang ihrer jeweiligen Haupterstreckungsachsen 16, 17, 18 Abmessungen auf, die größer als entlang anderer Erstreckungsachsen sind. Dabei sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste
Haupterstreckungsachse 16 und die zweite Haupterstreckungs¬ achse 17 sowie die zweite Haupterstreckungsachse 17 und die dritte Haupterstreckungsachse 18 unterschiedlich ausgerichtet angeordnet, während die erste Haupterstreckungsachse 16 und die dritte Haupterstreckungsachse 18 im Wesentlichen gleich ausgerichtet angeordnet sind. Dabei wird unter im Wesentli¬ chen innerhalb üblicher Fertigungstoleranzen liegend verstan- den .
Dabei weisen die erste Haupterstreckungsachse 16 und die zweite Haupterstreckungsachse 17 sowie die zweite Haupter¬ streckungsachse 17 und die dritte Haupterstreckungsachse 18 jeweils einen Winkel von 90° zueinander auf. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Winkel auf andere Werte aufweisen und muss nicht zwingend gleich groß sein.
Die Wirkung der in den Fig. 6 dargestellten Hohlräume 9 auf das Risswachstum des Risses 9 ist die gleiche wie der Hohl¬ räume 8 gemäß des in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungs¬ beispiels .
Zur Herstellung der Turbinenschaufel 1 wird diese mittels ei- ner additiven Fertigungstechnologie, wie z.B. 3D-Druck herge¬ stellt. Dabei wird beim Bilden der einzelnen Schichten der Fertigungsvorgang derart gesteuert, dass die Turbinenschaufel 1 zumindest abschnittsweise, wie z.B. im Bereich der Vorder¬ kante 5 und/oder Hinterkante 6 und/oder im Fillet-Bereich 7 eine Mehrzahl geschlossener Hohlräume 8 mit einer definierten Form, wie z.B. jeweils im Wesentlichen zylinderförmig
und/oder spährenförmig und/oder kugelförmig und/oder rotati- onkörperförmig aufweist. Die Figuren 7 und 8 zeigen schematisch eine Herangehensweise zur Bestimmung der Lage und der Gestalt von Riss stoppenden Hohlräumen: Zunächst sind durch eine Simulation ohne Hohlraum Bereiche zu identifizieren, welche hohe Spannungen aufweisen und potential haben, dass sich ein Riss entwickelt. Gemäß Fig. 7 kann es sich in exemplarischer Weise um den Mündungsbereich 21 einer Stützrippe 20 an der Druckseitenwand han¬ deln. Dabei ergibt sich ein potentieller Rissstartpunkt 21 aus der Simulation. Anschließend wird der gleiche Bereich si- muliert, nun jedoch unter Berücksichtigung eines vorhandenen Hohlraums 8 (Fig. 8) . Der entsprechende Riss 9, welcher von der Spannungskonzentration 21 zum Hohlraum 8 verläuft, soll als vorhanden angenommen und simuliert werden. Erfüllt die Geometrie mit Hohlraum 8 und Riss alle Auslegungskriterien, so ist der Entwurf erfolgreich. Fig. 9 zeigt einen Hohlraum 8 in Gestalt einer Linse, wohingegen Fig. 10 einen Hohlraum 8 in Gestalt eines Tropfens darstellt. Sinnvollerweise ist das Spitze Ende des Tropfens in der Regel dem Innenraum der Tur- binenschaufein zugewandt, während das abgerundete Ende des
Tropfens der Heißgasseite der Komponente zugewandet ist (Fig. 8) .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (1), wobei die Turbinenschaufel (1) mittels einer additiven Ferti- gungstechnologie gefertigt wird, wobei die Turbinenschaufel (1) abschnittsweise einen geschlossenen definierten Hohlraum (8) zum Begrenzen eines Risswachstums eines Risses (9) auf¬ weisend ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei der Hohlraum (8) im Bereich einer Vorderkante (5) und/oder Hinterkante (6) und/oder einer Schaufelspitze eines Schaufelblattes (2) der Turbinenschaufel (1) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Hohlraum (8) in einem Fillet-Bereich (7) der Turbinenschaufel (1) gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei der Hohlraum (8) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Hohlraum (8) im Wesentlichen spährenförmig oder ku- gelförmig oder rotationkörperförmig ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei der Hohlraum (8) einen ersten Abschnitt (13) mit einer ersten Haupterstreckungsachse (16) und einen zweiten Ab- schnitt (14) mit einer zweiten Haupterstreckungsachse (17) aufweist, wobei die erste Haupterstreckungsachse (16) und die zweite Haupterstreckungsachse (17) unterschiedlich ausgerichtet angeordnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei der Hohlraum (8) einen dritten Abschnitt (15) mit einer dritten Haupterstreckungsachse (18) aufweist, wobei die zwei¬ te Haupterstreckungsachse (17) und die dritte Haupterstre- ckungsachse (18) unterschiedlich ausgerichtet angeordnet wer¬ den .
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
wobei die erste Haupterstreckungsachse (16) und die dritte Haupterstreckungsachse (18) im Wesentlichen gleich ausgerichtet angeordnet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei eine Mehrzahl von Hohlräumen (8) gebildet wird, die in zumindest zwei Ebenen (10, 11) versetzt zueinander angeordnet werden .
10. Turbinenschaufel (1), die zumindest abschnittsweise mit¬ tels einer additiven Fertigungstechnologie gefertigt ist, wo- bei die Turbinenschaufel (1) abschnittsweise einen geschlos¬ senen definierten Hohlraum (8) zum Begrenzen eines Risswachstums eines Risses (9) aufweisend ausgebildet ist.
11. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 10,
wobei der Hohlraum (8) im Bereich einer Vorderkante (5) und/oder Hinterkante (6) und/oder im Mündungsbereich einer Stützrippe der Schaufelblattwand und/oder einer Schaufelspit¬ ze eines Schaufelblattes (2) der Turbinenschaufel (1) gebil¬ det ist.
12. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 10 oder 11,
wobei der Hohlraum (8) in einem Fillet-Bereich (7) der Turbinenschaufel (1) gebildet ist.
13. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Hohlraum (8) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist.
14. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Hohlraum (8) im Wesentlichen spährenförmig oder kugelförmig oder rotationkörperförmig ausgebildet ist.
15. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Hohlraum (8) einen ersten Abschnitt (13) mit einer ersten Haupterstreckungsachse (16) und einen zweiten Ab¬ schnitt (14) mit einer zweiten Haupterstreckungsachse (17) aufweist, wobei die erste Haupterstreckungsachse (16) und die zweite Haupterstreckungsachse (17) unterschiedlich ausgerich¬ tet angeordnet sind.
16. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 15,
wobei der Hohlraum (8) einen dritten Abschnitt (15) mit einer dritten Haupterstreckungsachse (18) aufweist, wobei die zwei¬ te Haupterstreckungsachse (17) und die dritte Haupterstre¬ ckungsachse (18) unterschiedlich ausgerichtet angeordnet sind. .
17. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 15 oder 16,
wobei die erste Haupterstreckungsachse (16) und die dritte Haupterstreckungsachse (18) im Wesentlichen gleich ausgerichtet angeordnet sind.
18. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Hohlraum (8) im Wesentlichen linsenförmige oder tropfenförmig ausgebildet ist.
19. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei eine Mehrzahl von Hohlräumen (8) gebildet wird, die in zumindest zwei Ebenen (10, 11) versetzt zueinander angeordnet sind .
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