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Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer
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Turbinens chaufel 6 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer Turbinenschaufel sowie eine hohle Turbinenschaufel mit einer Innenfläche,
die einen Innenraum in de r Schaufel abgrenzt Die Erfindung ist sowohl auf Turbinenleitschaufeln,
als auch auf Turbinenläuferschaufeln oder Turbinen -schaufeln anwendbar.
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Insbesondere wenn Kühlfluide mit hoher molarer spezifischer Wärme
verwendet werden, um Schaufeln zu kühlen, ist es wünschenswert, die Schaufeln einer
Gasturbine,die beim Gebrauch hohen Temperaturen unterworfen wird, mit inneren Kühldurchlässen
zu versehen, die ein größeres Verhältnis von Längsabmessung zu Querabmessung aufweisen,
als das nach den bisher bekannten Herstellungsverfahren erreichbar ist. Eine solche
Einrichtung in einer monolithischen Schaufel würde große Schwierigkeiten entweder
beim Gießen verursachen, da Gußkerne von einem solchen Streckenverhältnis bzw. von
solchen Abmessungen unmöglich über ihre gesamte Länge sicher anzuordnen sind, oder
beim Spanabheben, da die Bohrer oder Elektroentladungs- oder elektrochemische Elektroden
zur spanabhebenden Bearbeitung dazu neigen würden, abzuirren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges Verfahren zur Herstellung
einer Turbinenschaufel anzugeben,
bei der die Kühldurchlässe ein
relativ großes Verhältnis von Längsabmessung zu Querabmessung aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung
einer Turbinenschaufel gelöst, bei dem eine hohle Schaufel mit einer Innenfläche,
die einen Innenraum in der Schaufel abgrenzt, und mit Öffnungen-, die in den Innenraum
einmünden, ausgebildet wird, und bei dem ein am Ende offener Teil des Innenraumes,
der ein relativ großes Streckenverhältnis von Längs- zu Querabmessungen hat und
eine der Öffnungen aufweist, die in einen seiner Endabschnitte einmündet, vom Rest
des Innenraumes abgetrennt wird, in dem an der Innenfläche ein Trennelement befestigt
wird, das selbst oder zusammen mit einem Teil der Innenfläche diesen Teil des Innenraumes
abgrenzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der sie auf
eine Turbinenläuferschaufel angewendet ist, ist die Innenfläche mit Aussparungen
versehen, die sich im allgemeinen in radialer Richtung der Schaufel erstrecken und
die jeweils an ihrem radialen inneren Ende mit einer zugehörigen Öffnung in Verbindung
stehen, und es sind Trennelemente in Form von Rohren vorgesehen, wobei jedes Rohr
in einer zugehörigen Aussparung in gutem ärmekontakt mit der Innenfläche befestigt
ist und mit einem Ende in die zugehörige Öffnung eingreift und die Verbindung zum
Eintritt des Kühlfluids durch die Öffnung herstellt. Das andere Ende eines jeden
Rohres kann zum Schaufeläußeren hin geöffnet sein oder zum Rest des Innenraumes,
der in diesem Fall mit einem Auslaß für das Kühlfluid versehen ist.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens und der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles des Verfahrens und der
Schaufel sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer zusammengesetzten
Gußker-nkonstruktion, die beim Gießen einer Turbinenschaufel nach dem erfindungsgemäßen
Herstellungs -verfahren verwendet wird; Fig. 2 einen Querschnitt lurch eine erfindungsgemäße
Turbinenschaufel, die unter Verwendung der Gußkernkon -struktion gemäß Fig. 1 hergestellt
ist Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Schaufel gemäß Fig. 2, und Fig. 4 einen
Ausschnitt aus einem Querschnitt, der einem Teil von Fig. 2 entspricht, jedoch von
einer Schaufel in abgewandelter Ausführungsform.
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Die zusammengesetzte Gußkernkonstruktion 11, die in Fig. 1 dargestellt
ist, wird beim Gießen einer aus zwei Kammern bestehenden, hohlen Turbinenläuferschaufel
bzw. Turbinenschaufel 12 verwendet, die in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, aus deren
äußerer Form man die Form der (nicht dargestellten ) Gießform abschätzen kann, die
in Verbindung mit der Gußkernkonstruktion 11 verwendet wird. Die Schaufel 12 wird
derart ausgebildet, daß sie einen hohlen Flügelabschnit-t 13 und einen hohlen Fußansatz
bzw. Fußteil 14 aufweist, auf dem der Flügelabschnitt 13 von einem einstückig gegossenen,
lasttragenden Holm 15 und einer Schaufelplatte 16 getragen wird.
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Die Gußkernkons-truk tion 11 umfaßt erste und zweite Gußkerne 17
und 18, die hohle Kammern 19 und 20 in den Schaufelabschni-tten 13 und 14 ausbilden,
wobei sich durch den letz teren der tiolm 15 hinclur chers-treck-t (entsprechend
dem Durchlaß 21, der durch den Gußkern 18 hindurch ausgebildet ist). Der Gußkern
17 is-t mit Rillen bzw. Aussparungen
22 versehen und bezüglich des
Gußkernes 18- durch Stangen 23 festgelegt, dre vorzugsweise aus Siliziumdi 3hQxid
bzw. aus Hartglas bestehen, die in die Aussparungen 22 eingesetzt sind und einen
Endabschnitt aufweisen, der in eine entsprechende Öffnung 24 in dem Gußkern 18 einge
-setzt ist. Jede Stange bzw. jeder Stab.25 erzeugt in der Schaufel 11 eine zugehörige
Aussparung 25 in der Innen -fläche, die die Kammer 19 abgenzt , und eine zugehörige
Öffnung 26 zwischen den Kammern 19 und 20. Der Gußkern 17 kann - wie dargestellt
- so ausgebildet sein, daß er eine Ausnehmung 27 aufweist, die beim Gießen-der Schaufel
eine entsprechende Versteifungsrippe. 28 erzeugt.
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Der Gußkern 18 ist mit einander gegenüberliegenden Vorsprüngen 29
versehen, die Öffnungen 30 in dem Schaufelformling erzeugen, und weist einen Vorsprung
31 auf, der in dem Schauf'elformling eine Kühlmittel- Eintrittsöffnung 32 erzeugt.
Die äußeren Endabschnitte der Vorsprünge 29 und 31 bilden Gußkernabstützungen zum
Festlegen des Gußkerngebildes in der Gießform während des Gießens, und eine weitere
Gußkernabstützung ist durch eine Verlängerung 33 des Gußkerns 17 ausgebildet, die
eine Öffnung 34 in der in radialer Richtung außen liegenden Spitze des. Schaufel-
Flügelabschnitts 13 erzeugt. Die Hinterkante des Abschnittes 13 kann ebenfalls,
oder alternativ, mit einer Schlitzöffnung für die Kammer 19 versehen sein, wenn
der Gußkern 17 mit einer entsprechenden Hinterkanten-Verlängerung versehen ist,
wie durch die gestrichelte Linie bei 34 in Fig. 1 dargestellt ist, -wobei die Verlängerung
dann eine weitere Gußkernabstützung während des Gießvorganges bildet.
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Nach dem Gießen der Schaufel 12 und dem Entfernen des Gußkerngebildes
11 aus ihrem Inneren werden am Ende offene Metallrohre 35 in die Rillen bzw. Aussparungen
25 eingebaut , wobei sie sich durch die Verstärkungsrippe 28 (falls vorhanden) erstrecken,
und jedes Rohr wird mit einem Ende in eine entsprechende Öffnung 26 eingesetzt und
in dieser Stellung standsicher befestigt, vorzugsweise durch Hartlöten .. Insbesondere
wenn keine Rippe 28 vorgesehen ist, kann es vorteilhaft sein, die Aussparungen 25
mit einer Tiefe auszuführen, die größer als der Rohrradius ist, so daß jedes Rohr
bis über seine Mitte hinaus in seine Aussparung eingedrückt wird und während des
Anlötens zwangsläufig festgelegt ist. Die Rohre können auch mit Hilfe von aufblasbaren
Metallbeuteln feste gelegt werden (nicht dargestellt).
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Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Innen -fläche des Schaufelfußteils
14 mit tragenden Flächen bzw.
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Stegen 36 zur Befestigung eingelöteter Aufprallplatten 37 mit Löchern
38 versehen sein. Die Öffnungen 30 in dem Fußteil 14 werden mit Verschlußplatten
39 abgeschlossen.
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Ein mit den oben beschriebenen Schaufeln versehener Turbinenläuf
er enthält eine Einrichtung zur Zufuhr eines Kühlfluids durch die Kühlmittelzufuhröffnung
32 jeder Schaufel in ihre Kammer 20, in der das Kühlmittel, das im allgemeinen sich
radial nach außen bewegt, wie durch den Pfeil 40 in Fig. 2 angedeutet ist, auf die
Platten 37 aufprallt und durch ihre Öffnungen 38 hindurchgeht, um die Schaufelplatte
16 zu kühlen, bevor es durch die Üffnungen 26 in die Rohre 35 eindringt, um den
Flügelabschnitt 13 zu kühlen . Die Rohre 35 sind vorzugsweise unterschiedlich beabstandet,
um Anderungen des äußeren TwEårmeübergangskoeffizienten und der Temperaturen des
Gas stromes um die Flügelaußenfläche herum auszugleichen und so eine im wesentlichen
gleichmäßige Netalltemperaturverteilung an der äußeren Umfangsfläche zu erreichen.
Die Rohre können Mittel
zur Förderung der \Wårmeübertragung enthalten.
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Das Kühlmittel fließt durch die Rohre 35 radial nach außen und tritt
entweder durch die Öffnungen 34 aus der Schaufel an ihrer Spitze aus oder , wenn
die Öffnung 34 mit Hilfe einer Verschlußplatte 41 verschlossen ist, wie in Fig.
2 oder 3 dargestellt ist, geht es von dem Innenraum der Rohre in den Restraum der
Kammer 19 über,um von dort beispielsweise durch Schlitze in der Hinterkante auszuströmen,
die durch die Verwendung eines geeignet geformten Gußkerngebildes erzeugt sind,
wie es weiter oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist.
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Anstatt wie oben beschrieben vorgeformte Rohre 35 einzusetzen, können
äquivalente enge Durchlässe für den Kühlmittelfluß vom Rest des Raumes der Kammer
19 abgetrennt werden, in dem dem Formling nur eine Wand für jede Aussparung bzw.
Rille hinzugefügt wird - entweder dadurch, daß ein geeignet vorgeformter Metallstreifen
in entsprechender Stellung angelötet wird , oder durch Metallabscheidung an Ort
und Stelle, beispielsweise durch Plasmaspray oder durch Galvanoformung.
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Insbesondere bei Verwendung eines flüssigen Kühlmittels kann die
Konstruktion gemäß Fig..2 in der in Fig. 4 dargestellten Weise abgewandelt werden,
wobei die Rohre 35 durch die Öffnungen 26 in die Kammer 20 merklich vorspringen
und die Prallplatten 37 entfallen. In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist die Zufuhrmenge des flüssigen Kühlmittels ausreichend, um ein
ringförmiges Kühlmittelbad 42 zu bilden, das unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft
Innerhalb der Fußteilkammer 20 in direktem thermischen Kontakt mit der Schaufelplatte
16 angesammelt wird. Die Menge, in der die Kühlflüssigkeit in die Rohre 35 abströmt,
wird entweder durch die Größe der Endabschnitte der Rohre gesteuert
oder
, in einer bevorzug-ten Ausführungsform, durch Regulieröffnungen 43 in Kapseln 44,
die am inneren Ende der Rohre 35 angebracht sind, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Die Tiefe des Kühlmittelbades 42 muß ausreichend sein , um sicherzustellen, daß
die Enden der Rohre 35 oder ihre Regulieröffnungen 43 alle eingetaucht sind. Dies
kann durch Steuerung der Zufuhr -menge erreicht werden, durch Beibehaltung einer
angemessenen konstanten Zufuhrmenge in Verbindung mit der selbstregulierenden Tendenz
der Kühlmittelabflußmenge durch die Rohre 35 , die sich nach der effektiven Druckhöhe
richtet, oder durch eine überreichliche Zufuhrmenge und einen Uberlauf oder eine
Uberlauföffnung (nicht dargestellt) , die eine konstante Kühlmittelbadtiefe aufrecht
erhält und das überschüssige Kühlmittel in ei nen Rückgewinnungsbehälter ablaufen
läßt.
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Insbesondere bei Anwendung der Erfindung auf eine Turbinenleitschaufel,
jedoch nicht nur in diesem Anwendungsfalle, kann mit Vorteil vorgesehen sein, daß
der Kühlmittelabfluß aus der Schaufel gesammelt wird, ans-tat-t ihn einfach abströmen
zu lassen, und daß er für einen erneuten Umlauf durch den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt
wird, nachdem er einen Wärmeaustauscher durchlaufen ha-t, damit seine Temperatur
verringert wird.