Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (2, 5), bei dem zunächst eine innere Struktur (1, 6) der Turbinenschaufel (2, 5) gefertigt und dann die innere Struktur (1, 6) mit einer Umhüllung (4, 10) unter Bildung einer äußeren Form der Turbinenschaufel (2, 5) umgossen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel. Weiterhin sind eine nach dem Verfahren herstellbare Turbinenschaufel sowie ein Reparaturverfahren für diese Turbinenschaufel Gegenstand der Erfindung.

[0002] Im Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln bekannt, die in ihrem Inneren eine Struktur von Kühlkanälen mit teils komplexer Geometrie aufweisen. Bei diesem Verfahren werden in einer Gussform Kerne angeordnet, um die Kühlkanäle in der Turbinenschaufel auszubilden, wenn die Form mit einer Schmelze des Gussmaterials gefüllt wird. Die Kerne müssen nach dem Erkalten des Gussmaterials aufwendig entfernt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der US 5,296,308 offenbart.

[0003] Bei den bekannten Verfahren ist in vielen Fällen eine umfassende Nachbearbeitung des Gussrohlings notwendig, um insbesondere die Kühlkanäle mit der notwendigen Genauigkeit auszubilden. Dies bedeutet einen erheblichen Aufwand, da die innere Struktur bei der fertigen Turbinenschaufel nur schwer zugänglich ist.

[0004] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, dass die Herstellung von Turbinenschaufeln mit einer komplexen inneren Struktur vereinfacht.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zunächst eine innere Struktur der Turbinenschaufel gefertigt und dann die innere Struktur mit einer Umhüllung unter Bildung einer äußeren Form der Turbinenschaufel umgossen wird.

[0006] Grundgedanke der Erfindung ist es somit, zunächst die innere Struktur der Turbinenschaufel in einem separaten Schritt zu fertigen und dann eine Umhüllung um die innere Struktur herum zu gießen, die die äußere Form der Turbinenschaufel aufweist.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine Turbinenschaufel mit einer komplexen inneren Struktur auf besonders einfache Weise herzustellen. So können beispielsweise Kühlkanäle, die eine aufwendige Geometrie haben, mit hoher Präzision gefertigt werden.

[0008] Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die innere Struktur und die Umhüllung aus verschiedenen Materialien herzustellen. Insbesondere können sie aus verschiedenen Metallen und/oder Legierungen ausgebildet werden. Dies ermöglicht es, die Materialien so auszuwählen, dass sie jeweils optimal an die Anforderungen an die innere Struktur bzw. an die Umhüllung angepasst sind. So sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, die innere Struktur aus einem Material mit hoher Kriechfestigkeit und die Umhüllung aus einem Material mit hoher Oxidationsbeständigkeit herzustellen. Eine derartige Turbinenschaufel weist eine besonders hohe Haltbarkeit und Belastbarkeit auf. Ebenso können Materialien unterschiedlicher Kristallinität, beispielsweise ein- oder mehr kristalline Materialien eingesetzt werden.

[0009] Bei der Fertigung der inneren Struktur können in dieser Kühlkanäle ausgebildet werden. Dies ist besonders einfach möglich, da die innere Struktur gut zugänglich ist.

[0010] Es ist ebenfalls möglich, die innere Struktur während des Umgießens zu kühlen, indem ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle geleitet wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich beispielsweise um Wasser oder um Luft handeln. Das Kühlfluid kühlt die innere Struktur, so dass deren Beschädigung insbesondere dann verhindert wird, wenn ein hochschmelzendes Umgussmaterial verwendet wird. Auf diese Weise wird vor allem unterbunden, dass die innere Struktur erweicht oder sogar schmilzt.

[0011] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, vor dem Umgießen der inneren Struktur Maskierungselemente, insbesondere solche aus Keramik, an der inneren Struktur zu befestigen. Die Maskierungselemente dienen dazu, beim Umgießen Kanäle in der Umhüllung auszuformen. Mit den Maskierungselementen können insbesondere auch Kanäle in der Umhüllung ausgebildet werden, die mit Kühlkanälen in der inneren Struktur kommunizieren. Es ist ebenfalls möglich Kanäle mit einer Diffusoröffnung in der Umhüllung zu formen.

[0012] Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die innere Struktur der Turbinenschaufel zu gießen.

[0013] Die Erfindung hat auch eine Turbinenschaufel zum Gegenstand, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.

[0014] Weiterhin umfasst die Erfindung ein Reparaturverfahren für die Turbinenschaufel. Bei diesem wird zunächst die vorhandene Umhüllung der Turbinenschaufel von der inneren Struktur entfernt. Dann wird eine neue Umhüllung mit der äußeren Form der Turbinenschaufel um die innere Struktur gegossen.

[0015] Mit Hilfe dieses Reparaturverfahrens können Beschädigungen der Umhüllung insbesondere im Rahmen des Refurbishments repariert werden.

[0016] Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Figur 1

eine schematische Schnittansicht einer inneren Struktur einer Turbinenschaufel,

Figur 2

eine schematische Schnittansicht einer Turbinennenschaufel, die in einer Umhüllung die innere Struktur der Figur 1 enthält,

Figur 3

eine schematische Schnittansicht einer weiteren inneren Struktur einer Turbinenschaufel,

Figur 4

eine schematische Schnittansicht der inneren Struktur der Figur 3 mit daran befestigten Maskierungselementen, und

Figur 5

eine schematische Schnittansicht einer Turbinenschaufel, die in einer Umhüllung die innere Struktur der Figur 3 enthält.

[0017] Die Figuren 1 und 2 illustrieren ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigt Figur 1 schematisch im Schnitt eine innere Struktur 1 einer herzustellenden Turbinenschaufel 2. Die innere Struktur 1 besteht aus einer Legierung mit hoher Kriechfestigkeit und weist drei Kühlkanäle 3 auf, die sich durch die innere Struktur 2 erstrecken.

[0018] Die Figur 2 zeigt die Turbinenschaufel 2 im fertigen Zustand. Dabei ist die innere Struktur 1 in eine Umhüllung 4 aus einer Legierung mit hoher Oxidationsbeständigkeit eingegossen.

[0019] Um die Turbinenschaufel 2 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen, wird in einem ersten Schritt die innere Struktur 1 aus einer Legierung mit hoher Kriechfestigkeit hergestellt. Dies kann beispielsweise durch spanende Bearbeitung eines Rohlings erfolgen. Alternativ kann die innere Struktur 1 auch mit Hilfe bekannter Verfahren gegossen werden. Bei der Herstellung der inneren Struktur werden die Kühlkanäle 3 mit ausgebildet.

[0020] Anschließend wird die innere Struktur 1 in einer geeigneten Gussform angeordnet, die die negative Form der herzustellenden Turbinenschaufel 2 aufweist. Dann wird die innere Struktur 1 in der Form mit einer Schmelze der Legierung für die Umhüllung 4 umgossen, wobei gleichzeitig Wasser als Kühlfluid durch die Kühlkanäle 3 geleitet wird, um die innere Struktur 1 zu kühlen. Nach dem Erstarren der Umgusslegierung kann zuletzt die fertige Turbinenschaufel 2 aus der Form entfernt werden.

[0021] Vorteilhafter Weise treten beim Guss durch die Kühlung auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Legierungen Kompressionsspannungen in der Übergangszone zwischen der inneren Struktur 1 und der Umhüllung 3 auf, die eine Rissausbreitung verhindern.

[0022] In den Figuren 3 bis 5 ist die Herstellung einer Turbinenschaufel 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei zeigt die Figur 3 schematisch im Schnitt eine innere Struktur 6 der Turbinenschaufel 5, die einen Kühlkanal 7 aufweist und aus einer ersten Legierung besteht.

[0023] In der Figur 4 ist die innere Struktur 6 mit daran befestigten keramischen Maskierungselementen 8 gezeigt. Schließlich ist in der Figur 5 die fertige Turbinenschaufel 5 dargestellt, bei der Kanäle 9 in der Umhüllung 10 der inneren Struktur 6 ausgebildet sind.

[0024] Zur Herstellung der Turbinenschaufel 5 wird in einem ersten Schritt die innere Struktur 6 gefertigt, indem sie beispielsweise aus der ersten Legierung unter Zuhilfenahme einer geeigneten Form gegossen wird. Anschließend werden die Maskierungselemente 8 an der inneren Struktur 6 befestigt. Dann wird die innere Struktur 6 mit den Maskierungselementen 8 in eine Gussform eingesetzt, die die negative Form der Turbinenschaufel 5 aufweist. Die Form wird mit einer Schmelze der zweiten Legierung gefüllt, wobei auch in diesem Fall gleichzeitig ein Kühlfluid wie Luft durch den Kühlkanal 7 geleitet wird, um die innere Struktur 6 zu kühlen. Nachdem die Umhüllung 10 ausgekühlt ist, wird die Turbinenschaufel 5 aus der Form entnommen und die Maskierungselemente 8 aus der Umhüllung 10 entfernt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (2, 5),
dadurch gekennzeichnet, dass
zunächst eine innere Struktur (1, 6) der Turbinenschaufel (2, 5) gefertigt und dann die innere Struktur (1, 6) mit einer Umhüllung (4, 10) unter Bildung einer äußeren Form der Turbinenschaufel (2, 5) umgossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Struktur (1, 6) und die Umhüllung (4, 10) aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus verschiedenen Metallen und/oder Legierungen hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Struktur (1, 6) aus einem Material mit hoher Kriechfestigkeit und die Umhüllung (4, 10) aus einem Material mit hoher Oxidationsbeständigkeit hergestellt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Fertigung in der inneren Struktur (1, 6) Kühlkanäle (3, 7) ausgebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Struktur (1, 6) während des Umgießens gekühlt wird, indem ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle (3, 7) geleitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Umgießen der inneren Struktur (1, 6) Maskierungselemente (8) an der inneren Struktur (1, 6) befestigt werden, um beim Umgießen Kanäle (9) in der Umhüllung (4, 10) auszuformen.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
keramische Maskierungselemente (8) verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit den Maskierungselementen (8) Kanäle (9) in der Umhüllung (4, 10) ausgebildet werden, die mit Kühlkanälen (3, 7) in der inneren Struktur (1, 6) kommunizieren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
Kanäle (9) mit einer Diffusoröffnung in der Umhüllung (4, 10) ausgebildet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Struktur (1, 6) gegossen wird.

11. Turbinenschaufel (2, 5),
herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Reparaturverfahren für eine Turbinenschäufel (2, 5) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die vorhandene Umhüllung (4, 10) der Turbinenschaufel (2, 5) von der inneren Struktur (1, 6) entfernt und dann die innere Struktur (1, 6) mit einer neuen Umhüllung (4, 10) unter Bildung einer äußeren Form der Turbinenschaufel (2, 5) umgossen wird.

Zeichnung