DE3020363A1

DE3020363A1 - Verfahren zur herstellung von fluessigkeitsgekuehlten gasturbinenschaufeln

Info

Publication number: DE3020363A1
Application number: DE19803020363
Authority: DE
Inventors: Clayton Merril Grondahl; Myron Clyde Muth; Leo Charles Willmott
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1980-05-29
Publication date: 1980-12-11
Also published as: IT8022390A0; FR2464123A1; GB2051255B; GB2051255A; IT1130680B; CA1132456A; FR2464123B1; NO801619L; NL8003183A; NO148512C; US4249291A; NO148512B; JPS5612001A

Description

Verfahren zur Herstellung von flüssigkeitsgekühlten Gasturbinenschaufeln.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Flügelabschnittes für wassergekühlte Gas1urbinenschaufeln. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen von Flügelabschnitten, die einen Mittelkern aufweisen, der von mehreren Kühlmittelröhren, die in Abständen um den Kernumfang herum angeordnet sind, und von einer zusammengesetzten Aussenhaut umgeben ist, die sowohl den Kern als auch die Kühlröhren einschliesst.

Bei typischen bekannten Fertigungsverfahren wird der Mittelkern vorgeformt, um an die gewünschte Form des Flügelabschnittes angepasst zu sein. Anschliessend werden mehrere Nuten oder Rillen, die die Kühlmittelröhren aufnehmen, um den Aussenumfang des

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i-'liige la bschiii t tes herum ausgebildet. Diese Kuh Lmi ti e !röhren werden unabhängig hergestellt, geprüft und anschliessend in die Nuten bzw. Rillen eingesetzt. Schliesslich wird eine Aussenhaut mit dem Mittelkern verschweisst oder auf andere Weise mit diesem verbunden, um den fertigen Flügelabschnitt zu bilden.

Ein derartiges Verfahren ist in der I)E-OS 27 54 8;;o.5 beschrieben. Dort weist eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbinenschaufel einen Kern auf, in dem radial verlaufende Nuten bzw. Rillen mit rechtwinkligem Querschnitt ausgebildet, und in diese Nuten bzw. Rillen sind Röhren eingepasst und durch Lötmaterial in ihre Lage gehalten, das den Kaum zwischen den Röhren und den Seiten und dem Boden der Nuten bzw. Rillen ausfüllt. Dann ist eine Schutzhaut um die Aussenf lache des Kernes herum angebracht , um für Korrosionsbeständigkeit zu sorgen. Die Haut ist als eine Zusammensetzung aus einer Innenhaut, die für hohe thermische Leitfähigkeit sorgt, und einer Aussenhaut beschrieben, die für einen Schutz vor Hitzekorrosion sorgt.

Weiterhin ist in der US-PS 3 091 816 ein allgemeines Verfahren zum Einführen einer mit einem flexiblen Mantel zu verlotenden Anordnung beschrieben, um innerhalb des Mantels eine im wesentlichen nicht-oxidierende Atmosphäre zu bilden und um während des Lötens eine Kraft auf den Mantel auszuüben.

Bei einem anderen Verfahren zur Feriigung eines Flügelabschnittes oder Tragt'lächenprofiles wird Wärmeenergie wirksamer von der Innenseite der Flügelhautoberfläche, die mit dem heissen Gas in Berührung ist, auf die Aussenfläche der Kühlmittelröhren übertragen, die vertieft in dem Schiufelkern angeordnet sind. Hiernach wird die Schaufel aus einer Reihe von vorgeformten massiven Komponenten gebildet, die zusammengesetzt zusammengedrückt und dann zu einer einheitlichen Struktur umgewandelt werden. Hierbei ist eine der vorgeformten massiven Komponenten ein ebenes bimetallisches Blech, das eine erosions-, korrosionsbeständige Schicht und eine Schicht hoher thermischer Leitfähig-

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keit aufweist, wobei diese Schichten durch eine optimierte metallurgische Verbindung miteinander verbunden werden.

Erfindungsgemäss werden mehrere Löcher in einen überdimensionierten Flügelkernrohling an beabstandeten Stellen gebohrt, die den gewünschten Stellen der Kuhlröhren in dem Tragflachenprofii entsprechen. Die Kühlröhren werden getrennt gefertigt als vormontierte zusammengesetzte Röhrenteile und dann in die Löcher eingesetzt, die in dem Flügelrohling ausgebildet sind. Die auf diese Weise eingesetzten zusammengesetzten Röhren werden dann durch eine Diffusionsverbindung unter heissem isostatischem Druck oder durch Löten in ihre Lage gehalten.

Nachdem die Kühlröhren an dem Flügelrohling befestigt sind, wird der Rohling auf die gewünschte Flügelform bearbeitet, wobei die Kupferaussenschicht der zusammengesetzten Röhre freigelegt wird. Dann wird eine unabhängig gefertigte Haut durch Diffusionsverbindung unter heissem isostatischem Druck mit dem bearbeiteten Flügelrohling verbunden, um den gewünschten Flügelabs chniit zu erzeugen.

Da die Haut und die zusammengesetzten Röhren unabhängig gefert i jt werden, können sie inspiziert bzw. geprüft werden, bevor sie in die FLügelstruktur eingesetzt werden. Da weiterhin die fertige Flügelform bearbeitet wird, nachdem die Kühlröhren in den Flügelrohling eingesetzt worden sind, bilden die Aussenflachen des Rohlings und der zusammengesetzten Röhren zusammen eine glatte kontinuierliche Oberfläche für den Hautauftrag.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von 'lusführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Teilschnittansicht von einem Flügelrohling, wie er bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet wird.

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Fissur 2 ist eine perspektivische TeiLansicht von einer zusammengesetzten Röhre.

Figur 3 zeigt ein anderes 4usführungsbeispiel der zusammengesetzten Röhre.

Figur 4 ist eine Teilschnitt ansicht von dem Flügelrohling gemäss Figur 1, nachdem die zusammengesetzten Röhren gemäss Figur 3 eingesetzt worden sind.

Fi luv 5 ist eine Teilschnittansicht von dem flügelroh ling gemäss Figur 4, nachdem er auf die gewünschte Form gearbeitet worden ist.

Figur Q ist eine Teilschnittansicht von einem vollständigen Flügelabschnitt, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist.

In Figur 1 ist ein Flügelrohling 10 gezeigt, der den Kern des fliissigkeitsgekühlten Flügelabschnittes gemäss der Erfindung bildet. Der Flügelrohling 10 ist der Grundteil des Flügelabschnittes und ist aus einem hinsichtlich seiner Fes1igkeit ausgewählten Material hergestellt. Der Rohling 10 ist grosser als die Endform des Flügelabschnittes gewählt, da er in nachfolgenden Arbeitsschritten bearbeitet wird.

In dem Rohling 10 werden mehrere Löcher 12 ausgebildet, was vorzugsweise durch Bohren erfolgt. Diese Löcher führen durch die Höhe des Rohlings 10 hindurch und können mehrere zusammengesetzte Rohren 14 aufnehmen, die ein flüssiges Kühlmittel durch den Flügelabschnitt hindurchleiten. Eine derartige zusammengesetzte Röhre ist in Figur 2 gezeigt. Dinach enthält die zusammengesetzte Röhre 14 ein Innenteil, das aus einem Material hergestellt ist, das der Erosion und Korrosion des hindurchgeleiteten heissen Kühlmittels (gewöhnlich Wasser und Dampf) standhält, und ein äusseres Teil 18, das den Innenteil 16 umgibt und aus einem Material hergestellt ist, das eine hohe thermische

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Leitfähigkeit aufweist. Es ist eine optimale Wärmeübertragung erwünscht, damit das Kühlmittel durch den Innenraum der zusammengesetzten Röhren 14 strömen kann, um Wärme von der zusammengesetzten Haut 26 ( wie sie im folgenden beschrieben wird) von dem fertigen Flügelabschnitt abzuführen und dadurch den Flügelabschnitt wirksam zu kühlen. Diese optimale Wärmeübertragung wird in de» zusammengesetzten Aufbau gemäss der Erfindung dadurch herbeigeführt, dass eine gute metallurgische Verbindung zwischen den Teilen 16 und 18 herbeigeführt wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das innere Teil 16 aus einem korrosionsbeständigen Metall, wie beispielsweise rostfreier S1ahl Nr. 347 oder IN-718, hergestellt, und das äussere Teil 18 ist ein Rohr aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise einer Kupferlegierung. Die äussere Oberfläche des inneren Teils 16 kann mit einer dünnen Schicht (etwa 0,0125 mm) aus blankem Nickel plattiert werden, über die eine Schicht aus Silber (etwa 0,0125 mm) aufgebracht v/ird. Die zwei Teile 16,18 werden zusammengepasst und dann gezogen durch eine Reihe von Ziehwerkzeugen, bis eine gute Metall-Metallpassung erhalten ist, wonach das zusammengesetzte Rohr 14 auf etwa 800⁰C erhitzt wird, um die eutektische Legierung Silber-Kupfer zu bilden, die die Teile 16,18 miteinander verbindet. Anschliessend kann das zusammengesetzte Rohr 11 mit einer ähnlichen Silberschicht plattiert werden, um ein Lötmittel zum permanenten Befestigen des zusammengesetzten Rohres 11 in seinem entsprechenden Loch 12 zu bilden. Alternativ kann auf Wunsch eine Diffusionsverbindung bei heissem isostatischem Druck verwendet werden, wie es in der DE-OS P 29 21 217.7 beschrieben ist.

Das in Figur 2 gezeigte zusammengesetzte Rohr ist konzentrisch. Wenn ein exzentrisches Rohr gewünscht wird, kann es wie in Figur 3 gezeigt gebildet werden. Wie dort gestrichelt gezeichnet ist, wird zunächst ein konzentrisches Rohr in identischer Weise gebildet, um das zusammengesetzte Rohr gemäss Figur 2 zu bilden. Anschliessend kann das Rohr bearbeitet werden, um den gestrichelten Abschnitt 20 des Aussenteiles 18 zu entfernen, woraufhin

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das gewünschte exzentrische Rohr 14 entsteht.

Nachdem die Röhren 14 gebildet und, auf Wunsch, inspiziert worden sind, werden sie jeweils/ einem Loch 12 in dem Rohling 10 angeordnet. Die Röhren 14 werden dann durch eine bei heissem isostatischem Druck durchgeführte Diffusionsverbindung oder durch Löten in ihrer Lage gehalten. Die dabei entstehende Struktur ist in Figur 4 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispie 1 wurde angenommen, dass exzentrisch geformte Röhren verwendet sind. Nachdem die Röhren 14 mit dem Flügelrohling 10 verbunden worden sind, wird der Flügelrohling auf die gewünschte Flügelform gebracht. Wie es in Figur 5 gezeigt ist, in der der gestrichelte Abschnitt 22 das beim Bearbeiten beseitigte Material darstellt, sind die Stellen der Löcher 12 so gewählt, dass sie sicherstellen, dass der Aussenteil 18 von jedem Rohr 14 in der äusseren Oberfläche 24 des Rohlings 10 zu liegen kommt.

Nachdem der Flügelrohling 10 maschinell bearbeitet worden ist, wird durch eine Diffusionsverbindung bei heissem isostatischem Druck oder durch Löten eine Aussenhaut 26 auf der äusseren Oberfläche des Flügelrohlings angebracht (siehe Figur 6). Die Haut 26 ist aus einem Material gebildet, das gegenüber Oxidation und Korrosion beständig ist, die. durch die Strömungsgase, die während des Betriebes der Turbine über den Flügelabschnitt streichen, bei den vorgesehenen Temperaturen hervorgerufen werden. Ein mögliches Material ist Inconel 617. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Haut 26 aus zwei Metallschichten gebildet, die so ausgelegt sind, dass sie nicht nur der Erosion und Korrosion, die durch die über den Flügel strömenden und eine hohe Temperatur aufweisendenGase hervorgerufen werden, widerstehen, sondern auch thermische Energie an der äusseren Oberfläche der Haut 26 zu dem flüssigen Kühlmittel leiten, das durch die zusammengesetzten Röhren 14 strömt. Um diese zwei Erfordernisse zu erfüllen, ist die Haut 26 vorzugsweise aus einer Innenschicht 28, die aus einem Material

mit guter thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, äst

hergestellt!; und einer Aussenschicht 30 gebildet, das aus einem

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anti-korrosiven Material besteht, wie beispielsweise Inconel 617.

Bei der Herstellung der zusammengesetzten Haut 26 sollte berücksichtigt werden, dass die Verbindung zwischen den Schichten 28 und 30 kritisch ist. Überall wo auf der Grenzfläche zwischen diesen Schichten die Verbindung nicht perfekt ist, entwickeln sich während des Turbinenbetriebes Hitzepunkte, die zu einer Zerstörung der Haut und eine daraus resultierende Beschädigung der Schaufel führen. Aus diesem Grunde werden die Schichten 28, 30 vorzugsweise als zwei ebene BLeche verbunden und anschliessend mit dem Flügelrohling verbunden. Zwar sind verschiedene Goldlötlegierungen gut geeignet zum Verbinden der Schichten 28, 30, aber diese Legierungen sind sehr teuer. Es wurde gefunden, dass das Löten einer Schicht aus Inconel 617 und einer Schicht aus einer Kupferlegierung sehr erfolgreich durchgeführt werden kann, wobei eine Legierung aus 97 % Kupfer und 3 % Silizium als Lot legierung verwendet wird. Diese Legierung ist billig, hat eine hohe Schmelztemperatur und einen hohen Fliesspunkt (970 bis 1025 C) und hat eine noch höhere Rückschmelztemperatur. Die entstehende Legierung läuft auch nicht übermässig, wodurch die Möglichkeit, dass .während des Lötens offene Kanäle verstopft werden, auf ein Minimum gesenkt wird. Alternativ kann eine Diffusionsverbindung bei heissem isostatischen Druck verwendet werden, wie sie in der vorstehend genannten DE-OS P 29 21 217.7 beschrieben ist.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen eines f lüssitrkeitgekühlten Flügelabschnittes für eine Gasturbine, dadurch gekennzeichnet , dass

(a) mehrere Löcher an beabstandeten Stellen in einem überdimensionierten Flügelrohling ausgebildet werden,

(b) ein vorgeformtes Rohr für ein flüssiges Kühlmittel in jedem Loch verbunden wird, wobei das zusammengesetzte Rohr ein Innenteil, das aus einem anti-korrosivem Material gebildet wird, und ein Aussenteil aufweist, das aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet wird,

(c) der Flügelrohling auf eine gewünschte Form gearbeitet wird, wobei die Löcher derart angeordnet werden, dass ein Abschnitt des Aussenteils von jedem zusammengesetztem Rohr an der äusseren Oberfläche des bearbeiteten Flügelrohlings nach dem Bearbeiten angrenzt, und

(d) eine äussere Haut mit der äusseren Oberfläche des bearbeiteten Flügelrohlings und des Abschnittes des Aussenteils von jedem zusammengesetztem Rohr verbunden

wird.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Verfahren inch Anspruch 1 , dadurch ■gekennzeichnet , dass die Löcher in den Flii- geIron ling gebohrt werden.

'i. Verfahren nach Anspruch 1 ,dad u r c h gekennzeichnet , dass die zusammenlesetzten Röhren mit dem Flügelrohling durch eine Di t"fus ionsverbindung bei heißenüsostatischem Druck verbunden werden.

I. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Innenteil der zusammengesetzten Röhre aus rostfreiem Stahl und das Aussenteil der zusammengesetzten Röhre aus einer Kupferlegierung hergestellt werden.

:ϊ. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zusammengesetzte Röhren gebildet werden, dadurch gekennzeichnet , daß

a) ein Innenteil aus rostfreiem Stahl hergestellt wird,

b) die äussere Oberfläche des Innenteils mit einer dünnen Nickelschicht überzogen wird,

c) die Nickelschicht mit einer Silberschicht überzogen wird,

d) das überzogene Innenteil in das Aussenteil eingesetzt wird und

e) die Innen- und Aussenteile miteinander verbunden werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass zum Verbinden der Innen- und Aussenteile nach dem Einsetzen des Innenteils in das Aussenteil diese durch eine Reihe von Ziehwerkzeugen gezogen werden, bis eine gute Metall/Metallpassung erhalten ist, und die gezogenen Innen- und Aussenteile erhitzt werden, bis eine eutektische Silber-Kupferlegierung gebildet ist, die die Innen- und Aussenteile miteinander verbindet.

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ftftßi ORIGINAL

7. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h tz c? kennzeichnet , dass «1s korrosionsbeständiges Material IN-718 verwende! wird.

8. Verfahren nach '\nsp ruch 1 oder 1 , dadurch g e kennzei chnet , dass die Aussenhaut aus Inconel 617 gebildet wird.

K Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Aussenhauf eine Innenschicht, die eine hohe 1 hermische Leitfähigkeit besitzt, und eine Aussenschicht enthält, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit besitzt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3, 1, β, oder ί' ,

dadurch gekennzeichnet , dass die zusammengesetzten Röhren mit einer hindurch führenden konzentrischen Öffnung versehen und anschliessend maschinell bearbeitet werden, um einen Teil des Aussenteils der Röhre zu beseitigen, wodurch eine zusammengesetzte Röhre mit einer hindurchführenden exzentrischen Öffnung ausgebildet wird.

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