DE10053356A1 - Gekühltes Bauteil, Gusskern für die Herstellung eines solchen Bauteils, sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils - Google Patents
Gekühltes Bauteil, Gusskern für die Herstellung eines solchen Bauteils, sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen BauteilsInfo
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Abstract
Ein gekühltes Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel (10, 10'), für Gasturbinen, weist zur effizienten Innenkühlung einen innenliegenden Kühlkanal (16) mit rundem Kanalquerschnitt auf, in welchen Kühlkanal (16) zur Ausbildung eines Kühlmittelwirbels eine Reihe von in Richtung der Längsachse des Kühlkanals (16) übereinander angeordneten, von einem gemeinsamen Kühlmittelkanal (15) ausgehenden Anspeisebohrungen (17) für das Kühlmittel im wesentlichen tangential einmünden. DOLLAR A Bei einem solchen Bauteil wird die Herstellbarkeit dadurch verbessert, dass die Anspeisebohrungen (17) überwiegend einen Bohrungsdurchmesser aufweisen, der kleiner ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (16), und dass zur Verbesserung der Ausbringungsrate beim Gießen des Bauteils (10') ausgewählte Anspeisebohrungen (25, ...27) einen Bohrungsdurchmesser aufweisen, der größer ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (16).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbi
nen. Sie betrifft ein gekühltes Bauteil für Gasturbinen gemäss dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Eins solches Bauteil ist in Gestalt einer Turbinenschaufel z. B. aus der Druckschrift
GB-A-2 202 907 bekannt.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gusskern für die Herstellung eines solchen
Bauteils sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Der Wirkungsgrad von Gasturbinen, der eng mit der Höhe der Eintrittstemperatur
für die heissen Verbrennungsgase zusammenhängt und aus Gründen der effizi
enten Brennstoffausnutzung und Wirtschaftlichkeit möglichst hoch sein soll, ist aus
werkstofftechnischen Gründen in besonderem Masse abhängig von einer effizi
enten Nutzung der Kühlluft, die als Kühlmittel üblicherweise der Kompressorstufe
entnommen wird. Die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Gasturbine bedin
gen eine ausreichende Kühlung der thermisch hoch belasteten Turbinenkompo
nenten bzw. -bauteile, zu denen insbesondere die eingangsseitigen Leitschaufeln
und Laufschaufeln der ersten Turbinenstufen gehören. Die Kühlung kann dabei
auf unterschiedliche Weise bewirkt werden, also z. B. mittels Innenkühlung (Küh
lung der Komponente durch im Inneren zirkulierende Kühlluft) und/oder mittels
Filmkühlung (Erzeugen eines Kühlluftfilms durch geeignet angeordnete Aus
trittsöffnungen auf der belasteten Aussenseite der Komponente).
Eine bekannte Methode zur effizienten Innenkühlung ist ein sogenannter "Zyklon"
(oder "vortex chamber" in der GB-A-2 202 907). Bei einem solchen "Zyklon" wird
eine länglicher Kühlkanal mit meist kreisrundem oder elliptischem Querschnitt
durch eine Reihe von tangential einmündenden Anspeisebohrungen mit Kühlluft
beaufschlagt. Die einströmende Kühlluft bildet einen Wirbel im Kühlkanal, der um
die Längsachse des Kanals rotiert und aufgrund der hohen Geschwindigkeit und
Turbulenz im Randbereich eine besonders wirksame Kühlung der Kanalwand und
damit des gekühlten Bauteils bewirkt.
In Fig. 1 ist in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung eine Turbinen
schaufel 10 mit einer solchen an sich bekannten Zyklon-Kühlung wiedergegeben.
Die Turbinenschaufel 10 ist dabei "durchsichtig" dargestellt, so dass die innenlie
genden Hohlräume und Kanäle als durchgezogene Linien erkennbar sind. Die
Turbinenschaufel 10 weist eine Vorderkante ("leading edge") 13 und eine Hinter
kante ("trailing edge") 14 aus, die sich jeweils in Längsrichtung der Schaufel zwi
schen dem Schaufelfuss 11 und der Schaufelspitze 12 erstrecken. Die spezielle
Ausbildung des Schaufelfusses 11 zur Befestigung der Schaufel am Rotor und zur
Versorgung der Schaufel mit Kühlluft, wie sie beispielsweise in der US-A-
4,293,275 oder der US-A-5,002,460 offenbart ist, ist in Fig. 1 aus Gründen der
Vereinfachung nicht wiedergegeben.
Zur Innenkühlung der Turbinenschaufel 10 wird vom Schaufelfuss 11 her durch
einen nicht gezeigten Verbindungskanal Kühlluft in einen sich in Längsrichtung
erstreckenden Kühlmittelkanal 15 eingespeist (vertikale Pfeile in Fig. 1). Parallel
zum Kühlmittelkanal 15 und parallel zu der zu kühlenden, thermisch besonders
belasteten Vorderkante 13 der Turbinenschaufel 10 verläuft ein zylindrischer Kühl
kanal 16, der den Zyklon bildet. Vom Kühlmittelkanal 15 aus geht eine Reihe von
querliegenden Anspeisebohrungen 17 zum Kühlkanal 16 und mündet dort in etwa
tangential ein. Die durch die Anspeisebohrungen 17 in den Kühlkanal 16 tangen
tial einströmende Kühlluft (horizontale Pfeile in Fig. 1) bildet einen sich über den
Kanal erstreckenden Wirbel aus, der von der umgebenden Kanalwand Wärme
aufnimmt. Die erwärmte Kühlluft tritt entweder stirnseitig aus dem Kühlkanal 16
aus, oder - wie in der GB-A-2 202 907 gezeigt - durch tangentiale Auslässe in
Form von Bohrungen oder Schlitzen. Weitere Einrichtungen zur Innenkühlung, die
gleichzeitig zur Filmkühlung dienen und/oder mit der Hinterkante 14 in Verbindung
stehen, sind in Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen.
Die Wirkung der Zyklon-Kühlung hängt in starkem Masse von der Anspeisung
(Randbedingungen, Lage und Querschnitte der Anspeisebohrungen, etc.) ab. Er
forderlich sind dabei Anspeisebohrungen 17 mit einem Bohrungsdurchmesser, der
kleiner ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (Zyklons) 16.
Da eine Turbinenschaufel 10 der in Fig. 1 gezeigten Art üblicherweise durch ein
Metallgussverfahren hergestellt wird, muss für die Ausbildung des Kühlmittelka
nals 15, des Kühlkanals 16 und der beide verbindenden Anspeisebohrungen 17
ein entsprechender mehrfach zusammenhängender Gusskern eingesetzt werden.
Schwachstellen eines solchen Gusskerns sind die wegen der o. g. Durchmesser
bedingung vergleichsweise dünnen Verbindungsstege, welche beim Guss die
späteren Anspeisebohrungen bilden. An dieser Stelle kann es daher leicht zu ei
nem Kernbruch kommen, der den Erfolg des Gusses in Frage stellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Gasturbinen-Bauteil der eingangs ge
nannten Art so zu gestalten, dass das Auftreten von Kernbrüchen beim Giessen
wirksam eingeschränkt und die beim Giessen erreichte Ausbringungsrate deutlich
verbessert wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, durch eine geeignete Ausbildung der Ge
samtheit der Anspeisebohrungen die Steifigkeit des zugehörigen Gusskerns zu
verbessern, ohne die Einhaltung der vorgegebenen Durchmesserbedingungen für
die Anspeisebohrungen aufgeben zu müssen. Dies geschieht dadurch, dass die
Anspeisebohrungen überwiegend einen Bohrungsdurchmesser aufweisen, der
kleiner ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals, und dass zur
Verbesserung der Ausbringungsrate beim Giessen des Bauteils ausgewählte An
speisebohrungen einen Bohrungsdurchmesser aufweisen, der grösser ist als der
halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Bauteils nach der Erfin
dung sind die ausgewählten Anspeisebohrungen jeweils an den Enden des Kühl
kanals angeordnet, wobei insbesondere die unterste und die oberste Anspeise
bohrung als ausgewählte Anspeisebohrung eingesetzt sind. Hierdurch kann sich
über den gesamten Innenbereich des Kühlkanals der gewünschte Kühlluftwirbel
praktisch ungehindert ausbilden und seine maximale Kühlwirkung entfalten.
Ist das Bauteil, z. B. eine Turbinenschaufel, besonders lang, kann es jedoch im
Hinblick auf die Stabilität des Kerns vorteilhaft sein, wenn gemäss einer anderen
Ausführungsform zusätzlich im mittleren Bereich des Kühlkanals ausgewählte An
speisebohrungen vorgesehen sind.
Der erfindungsgemässe Gusskern für die Herstellung eines solchen Bauteils, wel
cher Gusskern einen ersten Kanalteil zur Bildung des Kühlmittelkanals und einen
zweiten Kanalteil zur Bildung des Kühlkanals umfasst, sowie eine Mehrzahl von
Verbindungsstegen, welche zwischen den beiden Kanalteilen quer verlaufen und
der Bildung der Anspeisebohrungen dienen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungsstege überwiegend einen Aussendurchmesser aufweisen, der kleiner
ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals, und dass ausge
wählte Verbindungsstege einen Aussendurchmesser aufweisen, der grösser ist als
der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals.
Bevorzugt sind die ausgewählten Verbindungsstege jeweils an den Enden des
zweiten Kanalteils angeordnet, wobei insbesondere der unterste und der oberste
Verbindungssteg als ausgewählter Verbindungssteg eingesetzt sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach der Erfin
dung mittels eines Metallgussverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein
erfindungsgemässer Gusskern verwendet wird.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam
menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer vereinfachten perspektivischen Seitenansicht eine Turbi
nenschaufel mit an sich bekannter Innenkühlung der Vorderkante
durch einen sogenannten Zyklon;
Fig. 2 in perspektivischer Seitenansicht einen versteiften Gusskern zur
Herstellung einer zu Fig. 1 vergleichbaren Turbinenschaufel ge
mäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 3 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung die mit dem Guss
kern aus Fig. 2 hergestellte Turbinenschaufel.
In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel eines innengekühlten Gasturbinen-Bauteils
nach der Erfindung eine zu Fig. 1 vergleichbare Turbinenschaufel 10' wiedergege
ben. Gleiche Teile der Turbinenschaufel 10' sind dabei mit denselben Bezugszei
chen versehen, wie bei der Turbinenschaufel 10 aus Fig. 1. Auch bei der Turbi
nenschaufel 10' sind der Kühlmittelkanal 15 und der Kühlkanal 16 durch eine
übereinander angeordnete Reihe von Anspeisebohrungen 17 bzw. 25, . ., 27 ver
bunden. Die Mehrzahl der Anspeisebohrungen, nämlich die Anspeisebohrungen
17, erfüllen vom Durchmesser her das für einen Zyklon charakteristische Krite
rium, dass nämlich ihr Bohrungsdurchmesser kleiner ist als der halbe hydraulische
Durchmesser des Kühlkanals 16. Nur wenige ausgewählte Anspeisebohrungen,
nämlich die Anspeisebohrungen 25, 26 und 27, weisen einen Bohrungsdurchmes
ser auf, der abweichend davon grösser ist als der halbe hydraulische Durchmes
ser des Kühlkanals 16. Durch diese ausgewählten Anspeisebohrungen 25, . ., 27
kann - wie nachfolgend erläutert wird - die Ausbringungsrate bei der Herstellung
der Schaufeln deutlich erhöht werden.
Für die Herstellung der Turbinenschaufel 10' mittels eines Metallgussverfahrens
wird ein Gusskern 18 der in Fig. 2 dargestellten Art benötigt. Der Gusskern 18
umfasst einen ersten Kanalteil 19, der zur Ausbildung des Kühlmittelkanals 15 be
nötigt wird, und einen zweiten Kanalteil 20, der für die Bildung des Kühlkanals 16
zuständig ist. Beide Kanalteile 19 und 20 sind durch eine Reihe von übereinander
angeordneten Verbindungsstegen 21 und 22, . ., 24 verbunden, die jeweils einen
runden Querschnitt aufweisen. Die Mehrzahl der Verbindungsstege, nämlich die
"dünnen" Verbindungsstege 21, dienen zur Bildung der Anspeisebohrungen, die
dem o. g. "Zyklon-Kriterium" hinsichtlich der Durchmesser genügen. Nur wenige
ausgewählte Verbindungsstege, nämlich die Verbindungsstege 22, 23 und 24,
sind "dicker" ausgebildet und verstärken so die Verbindung zwischen den Kern
teilen 19 und 20 und damit die mechanische Steifigkeit des Gusskerns 18 insge
samt.
Ist der Kühlkanal 16 bzw. der zweite Kanalteil 20 nicht sehr lang, reicht es voll
kommen aus, die beiden äusseren Verbindungsstege 22 und 24 als ausgewählte
Verbindungsstege mit vergrössertem Querschnitt auszubilden. Auf diese Weise
kann sich praktisch auf der gesamten Länge des Kühlkanals 16 der Kühlluftwirbel
ungestört ausbilden, weil dort das "Zyklon-Kriterium" erfüllt ist. Bei längeren Kühl
kanälen 16 bzw. Kanalteilen 20 kann es jedoch zweckmässig und vorteilhaft sein,
auch einzelne ausgewählte Verbindungsstege 26 im mittleren Bereich vorzuse
hen, um den Gusskern 18 dort steifer zu machen.
Der Durchmesser der ausgewählten Anspeisebohrungen 25, . ., 27 bzw. der ausge
wählten Verbindungsstege 22, . ., 24 wird in jedem Fall grösser gewählt als der
halbe hydraulische Durchmesser. Wie gross der Durchmesser tatsächlich sein
wird, hängt massgeblich von der Geometrie des Gusskerns und dem Giessverfah
ren ab und muss im Einzelfall bestimmt werden.
10
,
10
' Turbinenschaufel
11
Schaufelfuss
12
Schaufelspitze
13
Vorderkante
14
Hinterkante
15
Kühlmittelkanal
16
Kühlkanal (Zyklon)
17
Anspeisebohrung
18
Gusskern
19
,
20
Kanalteil (Gusskern)
21
Verbindungssteg
22, . ., 24 ausgewählter Verbindungssteg
25, . ., 27 ausgewählte Anspeisebohrung
22, . ., 24 ausgewählter Verbindungssteg
25, . ., 27 ausgewählte Anspeisebohrung
Claims (9)
1. Gekühltes Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel (10, 10'), für Gastur
binen, welches Bauteil (10, 10') zur effizienten Innenkühlung einen innenliegenden
Kühlkanal (16) mit rundem Kanalquerschnitt aufweist, in welchen Kühlkanal (16)
zur Ausbildung eines Kühlmittelwirbels eine Reihe von in Richtung der Längs
achse des Kühlkanals (16) übereinander angeordneten, von einem gemeinsamen
Kühlmittelkanal (15) ausgehenden Anspeisebohrungen (17) für das Kühlmittel im
wesentlichen tangential einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspeise
bohrungen (17) überwiegend einen Bohrungsdurchmesser aufweisen, der kleiner
ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (16), und dass zur
Verbesserung der Ausbringungsrate beim Giessen des Bauteils (10') ausgewählte
Anspeisebohrungen (25, . ., 27) einen Bohrungsdurchmesser aufweisen, der grös
ser ist als der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (16).
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewähl
ten Anspeisebohrungen (25, 27) jeweils an den Enden des Kühlkanals (16) ange
ordnet sind.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste und
die oberste Anspeisebohrung (25 bzw. 27) als ausgewählte Anspeisebohrung ein
gesetzt sind.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich im mittleren Bereich des Kühlkanals (16) ausgewählte Anspeise
bohrungen (26) vorgesehen sind.
5. Gusskern (18) für die Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, wel
cher Gusskern (18) einen ersten Kanalteil (19) zur Bildung des Kühlmittelkanals
(15) und einen zweiten Kanalteil (20) zur Bildung des Kühlkanals (16) umfasst,
sowie eine Mehrzahl von Verbindungsstegen (21; 22, . ., 24), welche zwischen den
beiden Kanalteilen (19, 20) quer verlaufen und der Bildung der Anspeisebohrun
gen (17; 25, . ., 27) dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege
(21) überwiegend einen Aussendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als der
halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (16), und dass ausgewählte Ver
bindungsstege (22, . ., 24) einen Aussendurchmesser aufweisen, der grösser ist als
der halbe hydraulische Durchmesser des Kühlkanals (16).
6. Gusskern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ausge
wählten Verbindungsstege (22, 24) jeweils an den Enden des zweiten Kanalteils
(20) angeordnet sind.
7. Gusskern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der unterste
und der oberste Verbindungssteg (22 bzw. 24) als ausgewählter Verbindungssteg
eingesetzt sind.
8. Gusskern nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich im mittleren Bereich des zweiten Kanalteils (20) ausgewählte Ver
bindungsstege (23) vorgesehen sind.
9. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 1 mittels eines
Metallgussverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gusskern nach einem
der Ansprüche 5 bis 8 verwendet wird.
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