DE2936481C2 - Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine solche Schaufel mit Einkristall-Aufbau ist aus der US-PS 34 94 709 bekannt. Hierbei wird die gesamte Schaufel von einem einzigen Einkristall gebildet, der so orientiert ist, daß seine Achse mit höchster Beanspruchungsfähigkeit in Richtung der Schaufellängsachse verläuft. Dieser Einkristall-Aufbau ergibt gegenüber einer normal gegossenen Schaufel den Vorteil, daß keine Korngrenzen in den kritischen Bereichen von Vorderrand und Hinterrand vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß für eine Optimierung einer Schaufel nicht nur die Kristallausrichtung in Bezug auf die Schaufellängsrichtung von Interesse ist sondern auch quer hierzu. So hat es sich gezeigt, daß es z. B. aus thermischen Gründen zweckmäßig sein kann, die Kristallachse mit dem geringsten Elastizitätsmodul in bestimmter Weise gegenüber der Profilsehne des Schaufelblattes auszurichten. Bei einer stark gewölbten Schaufel ändert sich jedoch die mittlere Profilsehne abschnittsweise derart, daß die mittlere Profilsehne von Anströmkante bzw. Abströmkante einen erheblichen Winkel gegeneinander aufweisen, der 90° betragen kann. Würde man bei einem Einkristallaufbau der Schaufel dann die Orientierung an der Anströmkante optimieren, dann ergäbe sich an der Abströmkante die schlechteste Wirkung, weil dort die Profilsehne auf die andere Kristallachse ausgerichtet

ίο wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, bei einem Einkristall-Aufbau einer gegebenenfalls auch stark gewölbten Schaufel die Optimierung auch in Querrichtung durch entsprechende Orientierung der Kristallachse über den gesamten Schaufelblattquerschnitt zu gewährleisten.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteii des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Dadurch, daß das Schaufelblatt aus mehreren Einkristallen hergestellt ist, können die Querachsen der einzelnen Einkristalle individuell auf die Profilsehne ausgerichtet werden, so daß sich über den gesamten Profilquerschnitt auch in Querrichtung die optimalen Eigenschaften ergeben.

?i Es ist zwar durch die GB-PS 13 32 595 bereits eine Schaufel bekannt, die aus mehreren Einkristallen zusammengesetzt sein kann. Auch hier wird jedoch ausschließlich eine Ausrichtung der hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften günstigsten Kristallachse auf die Längsachse des Schaufelblattes vorgenommen, während die Orientierung der Kristallachsen senkrecht hierzu freibleibt.

Die Herstellung einer solchen Schaufel kann gemäß Anspruch 3 bis 5 dadurch erfolgen, daß mehrere Einkristalle getrennt hergestellt und dann metallurgisch verbunden werden. Stattdessen kann die Herstellung auch nach dem Verfahren gemäß Anspruch 6 dadurch erfolgen, daß in einem einheitlichen Gußkörper getrennte Einkristalle mit entsprechender Achsenorientierung gegossen werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer gemäß der Erfindung ausgebildeten gewölbten Schaufel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Gießvorrichtung, mit der die Schaufel gemäß F i g. 1 hergestellt wurde,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine Gießform, die bei der Vorrichtung nach F i g. 2 benutzbar ist,

Fig. 4 eine gegenüber der Ausführung nach Fig. 3 abgewandelte Ausführungsform einer Gießform in Schnittansicht,
F i g. 5 eine perspektivische Darstellung, die erkennen läßt wie eine Schaufel gemäß der Erfindung aus getrennten Einkristallen hergestellt wird.

F i g. 1 zeigt eine Turbinenschaufel, die aus dem Schaufelfuß 10, einem Schaft 11, einer Plattform 12 und dem gewölbten Schaufelblatt 13 besteht. Der Querschnitt des Schaufelblattes 13 ist an der Schaufelspitze 14 sichtbar. Die Wölbung des Schaufelblattes ist derart, daß die mittlere Profilsehne 15 am Vorderrand einen beträchtlichen Winkel gegenüber der mittleren Profilsehne 16 am Hinterrand einschließt (Winkel β). Bei einer Turbinenschaufel wirken thermische Beanspruchungen im Schaufelblatt auf jedes Element der Schaufel in Richtung der mittleren Profilsehne. Jeder Einkristall des zur Herstellung der Schaufel benutzten

Materials, welches eine Superlegierung ist, besitzt anisotrope Eigenschaften. Bei einem normalen Kristallaufbau mit kubisch flächenzentriertem Gitter ist der Wert des Elastizitätsmoduls hoch in der (1,1,1) Richtung, niedriger in der (1,1,0) Richtung und am niedrigsten in der (1,0,0) Richtung. Es hat sich gezeigt, daß bei Schaufeln, z. B. bei Turbinenrotorschaufein, die unter Bedingungen thermischer Belastungen arbeiten, der Elastizitätsmodul in Richtung der höchsten Beanspruchung so niedrig als möglich sein sollte. In der folgenden Beschreibung einer Turbinenschaufel ist dieser geringste Elastizitätsmodul von größerem Interesse, jedoch im Falle anderer Schaufeln, beispielsweise bei Kompressorschaufeln, können die thermischen Eigenschaften nicht so interessant sein. In diesen Fällen kann es erwünscht sein, daß die Richtung des höchsten Elastizitätsmoduls in Längsrichtung und quer zum Schaufelprofil verläuft.

Wenn das Schaufelblatt 13 aus einem Finkristallsystem besteht, ist es möglich die Kristalle so auszurichten, daß die optimalen Eigenschaften (niedriger Elastizitätsmodul) in Richtung der Zentrifugalbeanspruchungen verlaufen. Es ist jedoch nicht möglich, ein ähnliches Optimum an allen Punkten längs der mittleren Profilsehne zu erhalten. Es ist möglich, daß bei gewissen Kristallen und gewissen Formen des Schaufelprofils der Winkel θ gleich dem Winkel zwischen benachbarten (1, 0, 0) Richtungen des Kristalls ist, der den optimalen Wert im Hinblick auf einen Widerstand gegen thermische Beanspruchungen der Legierung liefert (niedriger Elastizitätsmodul), und in diesem Falle können Vorderrand und Hinterrandabschnitte optimierte Eigenschaften aufweisen.

Bei dem Schaufelblatt 13 gemäß F i g. 1 ist das Schaufelblatt aus drei Einkristallen 17, 18, 19 mit unterschiedlicher Kristallorientierung gefertigt. Die Einkristalle erstrecken sich in Längsrichtung und bilden den Vorderrand, den Mittelabschnitt und den Hinterrand des Schaufel prof ils, und sie sind so orientiert, daß eine ihrer (1,0,0) Richtungen so verläuft, wie dies durch die Pfeile in der Zeichnung dargestellt ist, während andere in Längsrichtung der Schaufel verlaufen. Daher erstreckt sich eine ihrer Richtungen mit niedrigem Elastizitätsmodul und demgemäß optimalen, thermischen Eigenschaften etwa längs der mittleren Profilsehne des jeweiligen Abschnitts der Schaufel.

Durch Benutzung der drei Einkristalle 17, 18 und 19 können, die Richtungen optimaler thermischer Eigenschaften sehr nahe der mittleren Profilsehne des Schaufelblattes 13 angepaßt werden. Wenn die Wölbung der Schaufel größer oder kleiner ist als im Ausführungsbeispiel dargestellt, kann eine größere oder geringere Zahl von Einkristallen gewählt werden, um eine Anpassung an die mittlere Profilsenne zu ermöglichen. Normalerweise ist es möglich, die Kristalle so auszurichten, daß die Richtung der optimalen Eigenschaften wenigstens parallel zu jenem Teil der mittleren Profilsehne verläuft, der durch dew Einkristall verläuft oder durch einen benachbarten Abschnitt, wenn die Linieden Einkristall körperlich nicht trifft.

Um eine Schaufel gemäß Fig. 1 herzustellen, wird vorzugsweise eine Technik benutzt, bei Einkristalle getrennt hergestellt und anschließend metallurgisch verbunden werden. Es ist jedoch auch möglich, eine integrale Gießtechnik zu benutzen.

Beide Methoden lassen sich verwirklichen unter Benutzung der Vorrichtung gemäß F i g. 2. Im wesentlichen weist die Vorrichtung eine obere, eine Charge enthaltende Kammer 2Ci, eine mittlere Gießkammer 21 und eine untere Abzugskammer 22 auf. In der oberen Kammer 20 ist eine durch induktionserhitzung erwärmbare Gießpfanne 23 mit Bodenauslaß vorgesehen, die die Metallcharge für den Guß aufnimmt während in der mittleren Kammer 21 eine Form 24 von einer Abschreckplatte 25 getragen wird. Die Abschreckplatte 25 wird ihrerseits von einem Kolbenzy'inderantrieb 26 derart getragen, daß sie aus der Mittelkammer 21

ίο weggezogen werden kann, welche in den Wänden mit Heizelementen 27 ausgestattet ist

Im Betrieb werden die drei Kammern 20, 21 und 22 evakuiert und die Gießpfanne 23 wird erhitzt, um die darin enthaltene Metallcharge zu schmelzen. Die Metallcharge kann eine Superlegierung auf Nickelbasis sein. Wenn diese Charge schmilzt, dann wird auch der Anschlußstopfen am Boden der Gießpfanne zum Schmelzen veranlaßt und die gesamte Charge geschmolzenen Metalls fällt aus der Gießpfanne in die Form 24. Diese Form wird durch die Heizelemente 27 vorerwärmt und die Metallmenge in der Gießpfanne 23 ist gerade so groß, daß sie die erhitzte Form gerade ausfüllt.

Wenn die Form 24 mit geschmolzenem Metall gefüllt ist, dann bewirkt die Abschreckplatte 25 am Boden der Form eine Einleitung der Erstarrung des Metalls, und gleichzeitig bewirkt der Kolbenzylinderantrieb 26 ein langsames Wegzieher' der Form aus der erhitzten Mittelkammer 21. Wie bekannt, werden demgemäß die Richtung der Wärmeströmung und die Richtung der Progression der Erstarrungsfront so angeordnet, daß sie in einer Richtung verlaufen.

Um einen integralen Gußkörper mit Einkristallen vorbestimmter dreidimensionaler Orientierung zu erzeugen, muß die Form spezielle Eigenschaften aufweisen. Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit, durch die die Form veranlaßt werden kann, einen der Einkristalle zu erzeugen, die die Schaufel gemäß Fig. 1 aufbauen. In diesem Fall ist die Form 28 am Boden benachbart zur Abschreckplatte 25 mit einem Anregekristall 29 der benutzten Legierung versehen. Dieser Anregekristall wird in der Form 28 in der erforderlichen Lage gehalten, in der die Kristalle des fertigen Werkstücks verlaufen sollen.

In Fig. 3 ist bei 30 der progressive Vorschub der Verfestigungsfronten des Einkristalls angedeutet, der vom Anregekristall wächst, und es ist ersichtlich, daß der Kristall so weiterwächst, daß schließlich der vollständige Einkristall 17 erzeugt wird. Ein gleiches Verfahren kann unter Benutzung unterschiedlicher Formen benutzt werden, um die Einkristalle 18 und 19 zu erzeugen.

Fig.4 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Form 31. In diesem Fall ist die Form mit einem Kanal 32 versehen, der am Boden der Form ansetzt und sich in unterschiedlichen Richtungen erstreckt und schließlich in einem Reservoir 37 mündet. Der Kanal 32 besitzt mehrere rechtwinklige Abbiegungen und dieser Kanal dient in bekannter Weise beim Einsatz der Erstarrung des geschmolzenen Metalls am Boden des Reservoirs 37 dazu, das Wachstum des Einkristalls welches in vorbestimmter Richtung orientiert ist, zu begünstigen.

Als Alternative zur Herstellung der Einkristalle 16, 18, und 19 in getrennten Gießoperationen ist es auch möglich, eine einzige Form zu benutzen, die die Gestalt der gewünschten Schaufel hat, die jedoch durch Scheidewände in drei Abschnitte unterteilt ist. In diesem

Fall würde jeweils ein Einkristall in jedem der Abschnitte wachsen, und diese Einkristalle können dann aus der Form entnommen und anschließend verbunden werden.

Fig. 5 veranschaulicht das Konzept der Verbindung der drei Einkristalle zwecks Erzeugung einer Schaufel. Hier bestehen die getrennten Teile 38,39 und 40 jew?ils aus Einkristallen, und sie bilden zusammengebaut die gewünschte Schaufel. Diese getrennten Stücke sind durch eines der beschriebenen Gießverfahren hergestellt und können beispielsweise durch Diffusionsverbindung durch Hartlöten oder andere Techniken verbun-

den werden.

Es können alle diese Einkristalle zusammen als Teil eines integralen Gußstückes wachsen. Dies kann geschehen, indem man Formen benutzt, die jenen gemäß Fig.3 und 4 entsprechen, jedoch die Gesamtform der erforderlichen fertigen Schaufel besitzen, wobei drei getrennte das Kristallwachstum einleitende Vorrichtungen vorgesehen sind. Natürlich ist es dann notwendig, zu gewährleisten, daß die Grenze zwischen den Einkristallen beim Wachsen der Kristalle an einer gewünschten Stelle über die Spannweite der Schaufel verbleibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einem gewölbten Schaufelblatt, das einen Einkristall-Aufbau aus einer Legierung aufweist, der eine vorbestimmte dreidimensionale Orientierung derart aufweist, daß sich eine Optimierung von Eigenschaften ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (13) aus mehreren Einkristallen (17, 18, 19) besteht, von denen jeder individuell dreidimensional derart orientiert ist, daß jeder Einkristall mit einer Richtung optimaler Eigenschaften parallel zur Längsachse der Schaufel und mit einer Richtung optimaler Eigenschaften parallel zu dem örtlichen Abschnitt der mittleren Profilsehne verläuft

2. Schaufei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristalle (17, 18, 19) mit ihren Kristailachsen mit maximaler Festigkeit in Längsrichtung des Schaufelblattes (13) und mit der Achse mit kleinstem Elastizitätsmodul auf die mittlere Profilsehne (16) des Schaufelblattes (13) ausgerichtet sind.

3. Verfahren zur Herstellung einer Schaufel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einkristalle (38,39,40) getrennt hergestellt und metallurgisch verbunden werden, um das Schaufelblatt zu bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristalle in Formen (28) hergestellt werden, von denen jede ein Anregekristall (29) aufweist, um die Orientierung des Einkristalls einzuleiten und zu bestimmen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle durch eine Gießtechnik hergestellt werden, welche Gießformen (31) benutzt, von denen jede einen gewundenen Kanal (32) aufweist, um ein richtungserzeugendes Kristall für den Guß entstehen zu lassen.

6. Verfahren zur Erzeugung einer Schaufel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (13) einstückig derart gegossen wird, daß mehrere getrennte Einkristalle in einem einheitlichen einzigen Gußkörper gebildet werden.