EP1331361A1 - Turbine blade and casting device for producing a turbine blade - Google Patents
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- EP1331361A1 EP1331361A1 EP02001265A EP02001265A EP1331361A1 EP 1331361 A1 EP1331361 A1 EP 1331361A1 EP 02001265 A EP02001265 A EP 02001265A EP 02001265 A EP02001265 A EP 02001265A EP 1331361 A1 EP1331361 A1 EP 1331361A1
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- F01D5/14—Form or construction
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Definitions
- the invention relates to a turbine blade with a profiled, along a blade axis extended Airfoil, to the end one transverse to the blade axis extending platform is formed. It concerns Furthermore, a casting system for producing such a turbine blade.
- Gas turbines are used in many areas to drive generators or used by work machines. It is the Energy content of a fuel for generating a rotational movement used a turbine shaft.
- the fuel will burned in a combustion chamber, being used by an air compressor compressed air is supplied. That in the combustion chamber produced by the combustion of the fuel, under high Pressure and high temperature working medium is doing via a turbine downstream of the combustion unit led, where it relaxes work.
- For guiding the flow medium in the turbine unit are also usually between adjacent blade rows with the turbine housing connected Leitschaufelhalln arranged.
- the turbine blades, in particular the guide vanes usually have for the suitable guidance of the working medium a profiled, along a blade axis extended blade on, at the end for attachment of the turbine blade on the respective support body a transverse to Blade axis extending, in at least one end as Hook base trained platform is formed.
- Such gas turbines for thermodynamic reasons usually for particularly high outlet temperatures of the Combustion off and in the flowing into the turbine unit Working medium from about 1200 ° C to about 1300 ° C. designed.
- the components are the gas turbine, in particular the turbine blades, comparatively exposed to high thermal loads.
- a high reliability and a long life of the respective components to ensure the affected components are common cooled formed.
- the turbine blades are common in modern gas turbines designed as a so-called hollow profile.
- the profiled Airfoil features in its interior too referred to as vane core cavities in which a Cooling medium can be performed.
- Coolant channels By the thus formed Coolant channels is thus an admission of the thermally stressed areas of the respective Blade with coolant allowed.
- a particularly cheap Cooling effect and thus a particularly high level of operational safety is achievable by the coolant channels a comparatively large spatial area inside the respective Occupy the airfoil, and by the coolant as possible close to the respective, the hot gas exposed surface is guided.
- sufficient mechanical stability and resilience can ensure the particular turbine blade flowed through several channels, wherein inside the blade profile a plurality of coolant, each other by comparatively thin partitions separate coolant channels are provided.
- Such turbine blades are usually by casting manufactured.
- a first casting step an in its contour adapted to the desired blade profile mold poured out with wax.
- core elements for example made of ceramic material arranged after the casting from the Wax model can be removed for the blade body, so that the desired for the coolant channels cavities arise.
- the wax model obtained in the first casting step subsequently becomes by repeated immersion with a ceramic coating Provided. Once this, if necessary after several Dipping operations, has a sufficient thickness is burned out the ceramic model provided with the wax model, where the ceramic solidifies and the wax burned out becomes.
- this ceramic casting mold becomes poured out with blade material.
- Mask elements or slider such in the mold arranged for the first casting step that during the casting process one of the blade shape to be produced corresponding Cavity for receiving the wax remains.
- the invention is based on the object, a turbine blade of the abovementioned type, on the one hand for a designed especially high thermal and mechanical strength is, and on the other hand, a reliable cooling with comparatively low demand for coolant is. Furthermore, a for the production of the turbine blade suitable casting system can be specified.
- this object is achieved according to the invention solved by the platform one compared to Platform bottom has thickened outer edge, whose the Airfoil facing side wall based on the blade axis is guided bevelled.
- the invention is based on the consideration that the turbine blade for a particularly favorable manufacturability in should be configured monocrystalline construction.
- a turbine blade in single-crystal construction is already due to the material properties comparatively high load capacity.
- a monocrystalline construction is in particular by the use of also referred to as a slider mask elements cheaper for casting, especially as an alternative usable so-called lost inserts for nucleation polycrystalline material would contribute and thus for monocrystalline blades are not usable.
- the turbine blade should thus be designed in their contouring be that in a relatively simple manner positioning and after casting a removal of the formation of Platform recesses used masking elements or slides is possible. Even with compliance with these boundary conditions However, the turbine blade should be for a comparatively be designed low demand for coolant.
- the turbine blade is advantageously a function separation between the for the recording of the mechanical Load on the one hand and for absorbing the thermal load on the other hand provided for components.
- a hook base formed in an advantageous embodiment of the blade of the Turbine bucket in the end area above the platform.
- turbine blades at more reliable mechanical suspension a particularly high stability to allow for thermal stress, are advantageously in the area of entanglement of the turbine blade the platform and the hook base from each other structurally decoupled trained. It serves to the Airfoil molded platform for compensation only the thermal load of that in the interior the gas turbine guided hot working medium without it a mechanical load would be connected.
- the Platform preferably comparatively thin-walled, which is particularly made possible by the fact that the platform is not exposed to any mechanical stress.
- the mechanical load is carried out via a above the Platform arranged hook base, which is in a corresponding Structural part hung on the turbine wall or the turbine shaft is.
- the hook base is expediently for the assumption of mechanical stress sufficiently dimensioned designed, with an impact on the hook base avoided by thermal stress through the platform is. The cooling requirement for the hook base is thus comparatively low.
- the outer edge of the platform can in particular one with regard to guided on the blade axis substantially rectilinear, so aligned in cross section parallel to this have outer side wall.
- the outer edge is thus in its platform floor facing area performed comparatively thick and Tapered in cross-section steadily up to his Platform floor facing away from the end.
- To be reliable in this case To ensure cooling of all room areas of the outer edge, should be special funds for an admission the comparatively thick lower space of the outer edge be provided.
- the cooling holes are in further advantageous Design on the output side in a common Cooling gap led.
- the turbine blade can act as a blade for a turbine be provided.
- the turbine blade as a guide vane for a gas turbine, in particular for a stationary gas turbine trained.
- the casting system for producing such a turbine blade directed task is solved with one in one Mold positionable first mask element having a an interface of the platform floor predetermining recess has, and in which a substantially flat trained second mask element in one at an angle of more as 10 ° and less than 80 °, preferably less than 60 ° tilted against the boundary surface predetermining recess Directed displaced.
- the first mask element as a circumferential slide and the second mask element also referred to as a pocket slide is to make a platform bag with bevelled side walls even without using a "lost Use.
- the casting system is thus suitable in particular for the production of single-crystalline turbine blades, especially because of the conscious renunciation of the use of "lost missions” a nucleation for polycrystalline Areas is kept very low.
- a substantially planar formed platform floor has the second mask element advantageously one compared to its base by an adapted Angle of more than 10 ° and less than 80 ° tilted Face on, which together with the recess of the first Mask element forms a casting mask for the platform floor.
- the advantages achieved by the invention are in particular in that through the obliquely guided side wall of Platform bag, which by the in the first mask element or the circumferential slide arranged, obliquely in the circumferential direction sitting second mask element or the separate slide produced is an undercut of the ribbing of the profile can be avoided for entanglement.
- This is both Mask elements removable after completion of the casting process, so that the use of a "lost mission" is not required.
- cooling holes is also a reliable Cooling of all room areas of the platform with comparatively low coolant requirement allows, in particular by the comparatively broad base of the outer edge of the Platform the significant for coolant consumption impact-cooled Surface can be kept comparatively small. Due to the widening of the outer edge in the area of the platform floor is also comparatively in the operation of the turbine blade warm proportion compared to the colder part especially large, so that by impaired thermal expansions in the blade material induced voltages comparatively are kept low.
- the turbine blade 1 according to the figure has a profiled Airfoil 2, which extends along a blade axis. 4 extends.
- the blade 2 is suitable for influencing a flowing in an associated turbine unit Fluid medium curved and / or curved.
- the turbine blade 1 in the embodiment is as a guide vane designed for a gas turbine; after the following but could also be a blade be designed. This is the end in the presentation after the figure upper end of the airfoil 2 at this is a transverse to the blade axis 4 extending platform 6 molded. In the sense of the representation after the figure is arranged above the platform 6 or overlying
- a hook base 8 is formed, which is not shown in detail Way is attachable to a turbine housing.
- the Hook base 8 is connected to an adjacent structural element in Intervention brought, so that in a particularly simple way a Attachment of the turbine blade 1 to a support body allows is.
- the turbine blade 1 is for use seen in the direction of flow of the working medium second guide vane row of the gas turbine provided so that the hook base 8 both front and back for a suspension is configured in a structural element.
- the turbine blade 1 is for use in a thermal comparatively highly loaded space area of the gas turbine educated. On the one hand, this is a consistent functional Separation of the absorption of thermal loads and mechanical Loads of the turbine blade 1 by different Structural parts provided. This is through the separate Arrangement of the platform 6 and the hook base 8 guaranteed.
- the platform 6 is in fact the exclusive Recording of the gas turbine flowing through the hot Working fluid outgoing thermal load without the Platform 6 would be exposed to mechanical stress.
- the platform 6 has a comparatively thin-walled design Platform bottom 12, in its planar design essentially as a radiation shield for those of the Turbines flowing through working fluid output heat output acts.
- Platform bottom 12 For a possible connection with surrounding Structural elements, for example by entanglement, and / or for a stiffening with regard to a self-supporting mechanical Stability is the platform 6 with a thickened Edge or a ribbing executed and points to it a thickened compared to the platform bottom 12 outer edge 14 on.
- By the outer edge 14 and the platform floor 12 is formed thus in the manner of a depression a so-called Platform pocket.
- the turbine blade 1 designed such that even under Avoiding an undercut with the in the respective Spatial area protruding hook base 8 and thus underpassure the respective hook base 8, the reversible introduction a molding in the space area of the outer edge 14 recess formed together with the platform bottom 12 is possible.
- the Blade axis 4 facing side wall 16 of the outer edge 14th With reference to the blade axis 4 seen chamfered out.
- the angle ⁇ characterizing this bevel is too more than 10 ° and less than 80 °, namely in the embodiment to about 45 °, chosen.
- the outer edge 14 thus has in its platform bottom 12th facing bottom region a comparatively wide cross-section moving towards his from the platform ground 12 facing away from end 18 towards increasingly tapered.
- This upper end region of the outer edge 14 is thus due the comparatively small amount of material with comparatively simple means and in particular using a limited amount of coolant reliable cooled.
- the platform bottom 12 facing lower area the outer edge 14 is in this Area with a number of acted upon by a coolant Cooling holes 20 provided. These flow into theirs Outlet area in a common cooling gap 22nd
- the turbine blade 1 is for a high thermal capacity designed for high mechanical strength. Is to the turbine blade 1 carried out in a single-crystal construction. In compliance with the intended boundary conditions is the turbine blade 1 thereto using a in the figure only partially illustrated casting system 30 produced by casting.
- the casting system 30, which is essentially when creating a wax model for the turbine blade 1 is used, comprises as a basic element a non-illustrated mold. In this mold a number of mask elements are positionable in their entirety one of the contour of the turbine blade to be produced 1 corresponding cavity release, in a subsequent step fillable with pourable wax is.
- required elements includes the casting system 30, in particular a first mask element 32, which in the Art a circumferential slide can be used.
- the first mask element 32 includes besides other structure defining features one predetermining the interface of the platform floor 12 Recess 34.
- the first mask element 32 is for final shaping for the platform 6 is supplemented by a second mask element 36, formed substantially flat and in the first mask element 32 is slidably guided.
- casting position protrudes the second mask member 36 so into the recess 34 of the first mask element 32, that only one to the final shape of the platform 6 adapted space area is released. This gives thus both the platform floor 12 and the outer edge 14 of the Platform 6 in front.
- the second mask element 36 in one to one Angle ⁇ of about 45 ° with respect to the interface of the Platform floor 12 vor accommodateden recess. 34 tipped, displaced by the double arrow 38 direction indicated arranged. In this way is a distance of the second Mask element 36 from the wax model of the turbine blade 1 after its casting by simply moving in the direction of Double Arrow 38 allows without passing through the hook base 8 would be impaired.
- the hook base 8 is for in its lateral extent dimensioned so that he indicated by the line 40 space area for the second Mask element 36 is not affected.
- the second mask member 36 also has an opposite its base 42 by an angle ⁇ of the embodiment about 45 ° tilted end face 44, the together with the recess 34 of the first mask element forms a casting mask for the platform floor 12.
Landscapes
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel mit einem profilierten, entlang einer Schaufelachse erstreckten Schaufelblatt, an das endseitig eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende Plattform angeformt ist. Sie betrifft weiter ein Gießsystem zur Herstellung einer derartigen Turbinenschaufel.The invention relates to a turbine blade with a profiled, along a blade axis extended Airfoil, to the end one transverse to the blade axis extending platform is formed. It concerns Furthermore, a casting system for producing such a turbine blade.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle benutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.Gas turbines are used in many areas to drive generators or used by work machines. It is the Energy content of a fuel for generating a rotational movement used a turbine shaft. The fuel will burned in a combustion chamber, being used by an air compressor compressed air is supplied. That in the combustion chamber produced by the combustion of the fuel, under high Pressure and high temperature working medium is doing via a turbine downstream of the combustion unit led, where it relaxes work.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefaßten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Strömungsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Strömungsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. Die Turbinenschaufeln, insbesondere die Leitschaufeln, weisen dabei üblicherweise zur geeigneten Führung des Arbeitsmediums ein profiliertes, entlang einer Schaufelachse erstrecktes Schaufelblatt auf, an das sich endseitig zur Befestigung der Turbinenschaufel am jeweiligen Trägerkörper eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende,in zumindest einem Endbereich als Hakensockel ausgebildete Plattform angeformt ist.To generate the rotational movement of the turbine shaft are in this case a number of usually in blade groups or blade rows of combined blades arranged, via a momentum transfer from the flow medium drive the turbine shaft. For guiding the flow medium in the turbine unit are also usually between adjacent blade rows with the turbine housing connected Leitschaufelreihen arranged. The turbine blades, in particular the guide vanes, usually have for the suitable guidance of the working medium a profiled, along a blade axis extended blade on, at the end for attachment of the turbine blade on the respective support body a transverse to Blade axis extending, in at least one end as Hook base trained platform is formed.
Zur Erreichung eines besonders günstigen Wirkungsgrads sind derartige Gasturbinen aus thermodynamischen Gründen üblicherweise für besonders hohe Austrittstemperaturen des aus der Brennkammer ab- und die in die in die Turbineneinheit einströmenden Arbeitsmediums von etwa 1200 °C bis etwa 1300 °C ausgelegt. Bei derartig hohen Temperaturen sind die Komponenten der Gasturbine, insbesondere die Turbinenschaufeln, vergleichsweise hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um auch bei derartigen Betriebsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer der jeweiligen Komponenten zu gewährleisten, sind die betroffenen Bauteile üblicherweise kühlbar ausgebildet.To achieve a particularly favorable efficiency Such gas turbines for thermodynamic reasons usually for particularly high outlet temperatures of the Combustion off and in the flowing into the turbine unit Working medium from about 1200 ° C to about 1300 ° C. designed. At such high temperatures, the components are the gas turbine, in particular the turbine blades, comparatively exposed to high thermal loads. Around Even with such operating conditions a high reliability and a long life of the respective components to ensure the affected components are common cooled formed.
Dazu sind in modernen Gasturbinen die Turbinenschaufeln üblicherweise als sogenanntes Hohlprofil ausgebildet. Das profilierte Schaufelblatt weist dazu in seinem Innenbereich auch als Schaufelkern bezeichnete Hohlräume auf, in denen ein Kühlmedium geführt werden kann. Durch die solchermaßen gebildeten Kühlmittelkanäle ist somit eine Beaufschlagung der thermisch besonders beanspruchten Bereiche des jeweiligen Schaufelblatts mit Kühlmittel ermöglicht. Eine besonders günstige Kühlwirkung und somit eine besonders hohe Betriebssicherheit ist dabei erreichbar, indem die Kühlmittelkanäle einen vergleichsweise großen Raumbereich im Inneren des jeweiligen Schaufelblatts einnehmen, und indem das Kühlmittel möglichst nah an der jeweiligen, dem Heißgas ausgesetzten Oberfläche geführt ist. Um bei einer derartigen Auslegung andererseits eine ausreichende mechanische Stabilität und Belastbarkeit sicherzustellen, kann die jeweilige Turbinenschaufel mehrkanalig durchströmt sein, wobei im Inneren des Schaufelprofils eine Mehrzahl von mit Kühlmittel beaufschlagbaren, jeweils voneinander durch vergleichsweise dünne Trennwände getrennte Kühlmittelkanäle vorgesehen sind. For this purpose, the turbine blades are common in modern gas turbines designed as a so-called hollow profile. The profiled Airfoil features in its interior too referred to as vane core cavities in which a Cooling medium can be performed. By the thus formed Coolant channels is thus an admission of the thermally stressed areas of the respective Blade with coolant allowed. A particularly cheap Cooling effect and thus a particularly high level of operational safety is achievable by the coolant channels a comparatively large spatial area inside the respective Occupy the airfoil, and by the coolant as possible close to the respective, the hot gas exposed surface is guided. On the other hand, in such a design sufficient mechanical stability and resilience can ensure the particular turbine blade flowed through several channels, wherein inside the blade profile a plurality of coolant, each other by comparatively thin partitions separate coolant channels are provided.
Derartige Turbinenschaufeln werden üblicherweise durch Gießen hergestellt. Dazu wird in einem ersten Gießschritt eine in ihrer Kontur an das gewünschte Schaufelprofil angepaßte Gießform mit Wachs ausgegossen. Zur Herstellung der Strömungskanäle für das Kühlmittel werden beim Gießen in der Gießform sogenannte Kernelemente beispielsweise aus keramischem Material angeordnet, die nach erfolgtem Gießvorgang aus dem Wachsmodell für den Schaufelkörper entfernt werden, so daß die für die Kühlmittelkanäle gewünschten Hohlräume entstehen. Das im ersten Gießschritt erhaltene Wachsmodell wird anschließend durch wiederholtes Eintauchen mit einem Keramiküberzug versehen. Sobald dieser, gegebenenfalls nach mehreren Tauchvorgängen, eine ausreichende Dicke aufweist, wird das mit dem Keramiküberzug versehene Wachsmodell ausgebrannt, wobei sich die Keramik verfestigt und das Wachs ausgebrannt wird. Dadurch entsteht eine Keramik-Gießform für die Schaufel, in der auch die Kernelemente für Kühlkanäle o.ä. umfaßt sind. In einem zweiten Gießschritt wird diese Keramik-Gießform mit Schaufelmaterial ausgegossen. Zur Herstellung des Wachsmodells und insbesondere von dessen Schaufelblatt und der daran angeformten Strukturteile wie beispielsweise der Plattform oder eines Hakensockels werden entsprechend ausgeformte Maskenelemente oder Schieber derart in der Gießform für den ersten Gießschritt angeordnet, daß während des Gießvorgangs ein der herzustellenden Schaufelform entsprechender Hohlraum zur Aufnahme für das Wachs verbleibt.Such turbine blades are usually by casting manufactured. For this purpose, in a first casting step, an in its contour adapted to the desired blade profile mold poured out with wax. For the production of the flow channels for the coolant to be poured in the mold so-called core elements, for example made of ceramic material arranged after the casting from the Wax model can be removed for the blade body, so that the desired for the coolant channels cavities arise. The wax model obtained in the first casting step subsequently becomes by repeated immersion with a ceramic coating Provided. Once this, if necessary after several Dipping operations, has a sufficient thickness is burned out the ceramic model provided with the wax model, where the ceramic solidifies and the wax burned out becomes. This creates a ceramic mold for the blade, in which also the core elements for cooling channels or similar. comprises are. In a second casting step, this ceramic casting mold becomes poured out with blade material. For the production of Wax model and in particular of the airfoil and the molded structural parts such as the Platform or a hook base are shaped accordingly Mask elements or slider such in the mold arranged for the first casting step that during the casting process one of the blade shape to be produced corresponding Cavity for receiving the wax remains.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der oben genannten Art anzugeben, die einerseits für eine besonders hohe thermische und mechanische Belastbarkeit ausgelegt ist, und bei der andererseits eine zuverlässige Kühlung mit vergleichsweise geringem Bedarf an Kühlmittel ermöglicht ist. Weiterhin soll ein zur Herstellung der Turbinenschaufel geeignetes Gießsystem angegeben werden. The invention is based on the object, a turbine blade of the abovementioned type, on the one hand for a designed especially high thermal and mechanical strength is, and on the other hand, a reliable cooling with comparatively low demand for coolant is. Furthermore, a for the production of the turbine blade suitable casting system can be specified.
Bezüglich der Turbinenschaufel wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Plattform einen im Vergleich zum Plattformboden verdickten Außenrand aufweist, dessen dem Schaufelblatt zugewandte Seitenwand bezogen auf die Schaufelachse abgeschrägt geführt ist.With respect to the turbine blade, this object is achieved according to the invention solved by the platform one compared to Platform bottom has thickened outer edge, whose the Airfoil facing side wall based on the blade axis is guided bevelled.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß die Turbinenschaufel für eine besonders günstige Herstellbarkeit in einkristalliner Bauweise ausgestaltet sein sollte. Eine Turbinenschaufel in einkristalliner Bauweise ist nämlich bereits aufgrund der Werkstoffeigenschaften vergleichsweise hoch belastbar. Eine einkristalline Bauweise ist insbesondere durch die Verwendung von auch als Schieber bezeichneten Maskenelementen für den Guss günstiger, insbesondere da alternativ verwendbare sogenannte verlorene Einsätze zur Keimbildung polykristallinen Materials beitragen würden und somit für einkristalline Schaufeln nicht verwendbar sind. Die Turbinenschaufel sollte somit in ihrer Konturierung derart ausgelegt sein, daß auf vergleichsweise einfache Weise eine Positionierung und nach dem Gießen eine Entfernung der zur Bildung von Plattformvertiefungen verwendeten Maskenelemente oder Schieber ermöglicht ist. Auch bei Einhaltung dieser Randbedingungen sollte die Turbinenschaufel jedoch für einen vergleichsweise geringen Bedarf an Kühlmittel ausgelegt sein. Dies ist unter anderem erreichbar, indem die zur Aufnahme der thermischen Belastungen ausgelegte Plattform vergleichsweise dünnwandig und somit unter nur geringem Materialverbrauch ausgelegt ist. Dies ist auch unter den genannten Vorgaben erreichbar, indem vor dem Gießen der Turbinenschaufel eine Mehrzahl von Maskenelementen in der Gießform angeordnet wird, wobei ein Maskenelement zur Reduzierung der Plattformdicke in den für diese vorgesehenen Raumbereich einbringbar ist. Um den entsprechenden Vortrieb in diesen Raumbereich auch unter Umgehung von oberhalb der Plattform anzuordnenden Formteilen und auch in einen Raumbereich besonders nah im Schaufelzentrum hinein zu ermöglichen, ist die Turbinenschaufel für abgeschrägte Seitenwände im Bereich des an der Plattform angeordneten Außenrings ausgelegt.The invention is based on the consideration that the turbine blade for a particularly favorable manufacturability in should be configured monocrystalline construction. A turbine blade in single-crystal construction is already due to the material properties comparatively high load capacity. A monocrystalline construction is in particular by the use of also referred to as a slider mask elements cheaper for casting, especially as an alternative usable so-called lost inserts for nucleation polycrystalline material would contribute and thus for monocrystalline blades are not usable. The turbine blade should thus be designed in their contouring be that in a relatively simple manner positioning and after casting a removal of the formation of Platform recesses used masking elements or slides is possible. Even with compliance with these boundary conditions However, the turbine blade should be for a comparatively be designed low demand for coolant. This is achievable, inter alia, by recording the thermal Load-designed platform comparatively thin-walled and thus designed with low material consumption is. This is also achievable under the specified conditions, by prior to casting the turbine blade a plurality is arranged by mask elements in the mold, wherein a mask element for reducing the platform thickness in the for this intended space area can be introduced. To the corresponding propulsion in this area also bypassing from above the platform to be arranged moldings and also in a room area especially close to the vane center into it, the turbine blade is bevelled Side walls in the area of the arranged on the platform Outer ring designed.
Für eine besonders hohe mechanische und thermische Belastbarkeit der Turbinenschaufel ist vorteilhafterweise eine Funktionstrennung zwischen den für die Aufnahme der mechanischen Belastung einerseits und für die Aufnahme der thermischen Belastung andererseits vorgesehenen Komponenten vorgenommen. Dazu ist in vorteilhafter Ausgestaltung am Schaufelblatt der Turbinenschaufel im Endbereich über der Plattform ein Hakensockel angeformt. Um nämlich bei Turbinenschaufeln bei zuverlässiger mechanischer Aufhängung eine besonders hohe Stabilität gegenüber thermischer Beanspruchung zu ermöglichen, sind vorteilhafterweise im Bereich der Verhakung der Turbinenschaufel die Plattform und der Hakensockel voneinander strukturell entkoppelt ausgebildet. Dabei dient die an das Schaufelblatt angeformte Plattform ausschließlich zur Kompensation der thermischen Belastung durch das im Innenraum der Gasturbine geführte heiße Arbeitsmedium, ohne daß damit eine mechanische Belastung verbunden wäre. Für einen vergleichsweise geringen Kühlbedarf für diese Komponente ist die Plattform vorzugsweise vergleichsweise dünnwandig ausgeführt, was insbesondere dadurch ermöglicht ist, daß die Plattform keinerlei mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist. Die mechanische Belastung erfolgt dabei über einen oberhalb der Plattform angeordneten Hakensockel, der in ein entsprechendes Strukturteil an der Turbinenwand oder der Turbinenwelle eingehängt ist. Der Hakensockel ist dabei zweckmäßigerweise für die Aufnahme der mechanischen Belastung hinreichend dimensioniert ausgelegt, wobei eine Beaufschlagung des Hakensockels durch thermische Belastung durch die Plattform vermieden ist. Der Kühlbedarf für den Hakensockel ist somit vergleichsweise gering.For a particularly high mechanical and thermal load capacity the turbine blade is advantageously a function separation between the for the recording of the mechanical Load on the one hand and for absorbing the thermal load on the other hand provided for components. For this purpose, in an advantageous embodiment of the blade of the Turbine bucket in the end area above the platform a hook base formed. Namely with turbine blades at more reliable mechanical suspension a particularly high stability to allow for thermal stress, are advantageously in the area of entanglement of the turbine blade the platform and the hook base from each other structurally decoupled trained. It serves to the Airfoil molded platform for compensation only the thermal load of that in the interior the gas turbine guided hot working medium without it a mechanical load would be connected. For a comparatively low cooling requirement for this component is the Platform preferably comparatively thin-walled, which is particularly made possible by the fact that the platform is not exposed to any mechanical stress. The mechanical load is carried out via a above the Platform arranged hook base, which is in a corresponding Structural part hung on the turbine wall or the turbine shaft is. The hook base is expediently for the assumption of mechanical stress sufficiently dimensioned designed, with an impact on the hook base avoided by thermal stress through the platform is. The cooling requirement for the hook base is thus comparatively low.
Der Außenrand der Plattform kann insbesondere einen im Hinblick auf die Schaufelachse im wesentlichen geradlinig geführten, also im Querschnitt parallel zu dieser ausgerichteten äußeren Seitenwand aufweisen. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der Außenrand somit in seinen dem Plattformboden zugewandten Bereich vergleichsweise dick ausgeführt und verjüngt sich im Querschnitt stetig bis hin zu seinem dem Plattformboden abgewandten Ende. Um in diesem Fall eine zuverlässige Kühlung aller Raumbereiche des Außenrands zu gewährleisten, sollten besondere Mittel für eine Beaufschlagung des vergleichsweise dicken unteren Raumbereichs des Außenrands vorgesehen sein. Dazu ist der Außenrand der Plattform vorteilhafterweise in seinem Bodenbereich mit einer Anzahl von Kühlbohrungen versehen. Für eine besonders einfache Betriebsweise sind die Kühlbohrungen dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ausgangsseitig in einen gemeinsamen Kühlspalt geführt.The outer edge of the platform can in particular one with regard to guided on the blade axis substantially rectilinear, so aligned in cross section parallel to this have outer side wall. In such an embodiment the outer edge is thus in its platform floor facing area performed comparatively thick and Tapered in cross-section steadily up to his Platform floor facing away from the end. To be reliable in this case To ensure cooling of all room areas of the outer edge, should be special funds for an admission the comparatively thick lower space of the outer edge be provided. This is the outer edge of the platform advantageously in its bottom area with a number provided by cooling holes. For a particularly simple Operation, the cooling holes are in further advantageous Design on the output side in a common Cooling gap led.
Die Turbinenschaufel kann als Laufschaufel für eine Turbine vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Turbinenschaufel aber als Leitschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine ausgebildet.The turbine blade can act as a blade for a turbine be provided. Preferably, however, the turbine blade as a guide vane for a gas turbine, in particular for a stationary gas turbine trained.
Die auf das Gießsystem zur Herstellung einer derartigen Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird gelöst mit einem in einer Gießform positionierbaren ersten Maskenelement, das eine eine Grenzfläche des Plattformbodens vorgebende Ausnehmung aufweist, und in dem ein im wesentlichen flächig ausgebildetes zweites Maskenelement in einer um einen Winkel von mehr als 10° und von weniger als 80° vorzugsweise von weniger 60° gegenüber der die Grenzfläche vorgebenden Ausnehmung verkippten Richtung verschiebbar geführt ist.The casting system for producing such a turbine blade directed task is solved with one in one Mold positionable first mask element having a an interface of the platform floor predetermining recess has, and in which a substantially flat trained second mask element in one at an angle of more as 10 ° and less than 80 °, preferably less than 60 ° tilted against the boundary surface predetermining recess Directed displaced.
Durch das Zusammenwirken dieser beiden Maskenelemente, von denen das erste Maskenelement auch als Umfangsschieber und das zweite Maskenelement auch als Taschenschieber bezeichnet werden kann, ist die Herstellung einer Plattformtasche mit angeschrägten Seitenwänden auch ohne Verwendung eines "verlorenen Einsatzes" ermöglicht. Das Gießsystem eignet sich somit insbesondere zur Herstellung einkristalliner Turbinenschaufeln, zumal gerade durch den bewußten Verzicht auf die Verwendung von "verlorenen Einsätzen" eine Keimbildung für polykristalline Bereiche besonders gering gehalten ist. Zur Herstellung eines im wesentlichen planar ausgebildeten Plattformbodens weist das zweite Maskenelement dabei vorteilhafterweise eine gegenüber seiner Grundfläche um einen angepaßten Winkel von mehr als 10° und von weniger 80° verkippte Stirnfläche auf, die gemeinsam mit der Ausnehmung des ersten Maskenelements eine Gießmaske für den Plattformboden bildet.Through the interaction of these two mask elements, of which the first mask element as a circumferential slide and the second mask element also referred to as a pocket slide is to make a platform bag with bevelled side walls even without using a "lost Use. "The casting system is thus suitable in particular for the production of single-crystalline turbine blades, especially because of the conscious renunciation of the use of "lost missions" a nucleation for polycrystalline Areas is kept very low. For the production a substantially planar formed platform floor has the second mask element advantageously one compared to its base by an adapted Angle of more than 10 ° and less than 80 ° tilted Face on, which together with the recess of the first Mask element forms a casting mask for the platform floor.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die schräg geführte Seitenwand der Plattformtasche, die durch das im ersten Maskenelement oder dem Umfangsschieber angeordnete, in Umfangsrichtung schräg sitzende zweite Maskenelement oder den Separatschieber herstellbar ist, eine Hinterschneidung der Verrippung des Profils zur Verhakung vermieden werden kann. Dadurch sind beide Maskenelemente nach Vollendung des Gießvorgangs wieder entfernbar, so daß die Verwendung eines "verlorenen Einsatzes" nicht erforderlich ist. Durch die im Außenrand der Plattform angeordneten Kühlbohrungen ist zudem auch eine zuverlässige Kühlung aller Raumbereiche der Plattform mit vergleichsweise geringem Kühlmittelbedarf ermöglicht, wobei insbesondere durch die vergleichsweise breite Basis des Außenrands der Plattform die für den Kühlmittelverbrauch erhebliche prallgekühlte Fläche vergleichsweise klein gehalten werden kann. Durch die Verbreiterung des Außenrands im Bereich des Plattformbodens ist zudem der im Betrieb der Turbinenschaufel vergleichsweise warme Anteil im Vergleich zum kälteren Anteil besonders groß, so daß die durch behinderte Wärmeausdehnungen im Schaufelmaterial induzierten Spannungen vergleichsweise gering gehalten sind.The advantages achieved by the invention are in particular in that through the obliquely guided side wall of Platform bag, which by the in the first mask element or the circumferential slide arranged, obliquely in the circumferential direction sitting second mask element or the separate slide produced is an undercut of the ribbing of the profile can be avoided for entanglement. This is both Mask elements removable after completion of the casting process, so that the use of a "lost mission" is not required. By in the outer edge of the platform arranged cooling holes is also a reliable Cooling of all room areas of the platform with comparatively low coolant requirement allows, in particular by the comparatively broad base of the outer edge of the Platform the significant for coolant consumption impact-cooled Surface can be kept comparatively small. Due to the widening of the outer edge in the area of the platform floor is also comparatively in the operation of the turbine blade warm proportion compared to the colder part especially large, so that by impaired thermal expansions in the blade material induced voltages comparatively are kept low.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Turbinenschaufel im Längsschnitt zusammen mit schematisch angedeuteten Elementen eines Gießsystems. An embodiment of the invention will be described with reference to a Drawing explained in more detail. In it, the figure shows a turbine blade in longitudinal section together with schematically indicated Elements of a casting system.
Die Turbinenschaufel 1 gemäß der Figur weist ein profiliertes
Schaufelblatt 2 auf, das sich entlang einer Schaufelachse 4
erstreckt. Das Schaufelblatt 2 ist dabei zur geeigneten Beeinflussung
eines in einer zugeordneten Turbineneinheit strömenden
Strömungsmediums gewölbt und/oder gekrümmt.The
Die Turbinenschaufel 1 im Ausführungsbeispiel ist als Leitschaufel
für eine Gasturbine ausgebildet; nach den nachfolgend
beschriebenen Grundsätzen könnte aber auch eine Laufschaufel
ausgestaltet sein. Dazu ist endseitig am in der Darstellung
nach der Figur oberen Ende des Schaufelblatts 2 an
dieses eine sich quer zur Schaufelachse 4 erstreckende Plattform
6 angeformt. Im Sinne der Darstellung nach der Figur
oberhalb der Plattform 6 oder darüberliegend angeordnet ist
zudem ein Hakensockel 8 angeformt, der in nicht näher dargestellter
Weise an einem Turbinengehäuse befestigbar ist. Der
Hakensockel 8 ist mit einem benachbarten Strukturelement in
Eingriff bringbar, so daß auf besonders einfache Weise eine
Befestigung der Turbinenschaufel 1 an einem Trägerkörper ermöglicht
ist. Die Turbinenschaufel 1 ist dabei für einen Einsatz
in der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen
zweiten Leitschaufelreihe der Gasturbine vorgesehen, so daß
der Hakensockel 8 sowohl vorderseitig als auch rückseitig für
eine Aufhängung in einem Strukturelement ausgestaltet ist.The
Die Turbinenschaufel 1 ist zum Einsatz in einem thermisch
vergleichsweise hoch belasteten Raumbereich der Gasturbine
ausgebildet. Dazu ist einerseits eine konsequente funktionelle
Trennung der Aufnahme thermischer Belastungen und mechanischer
Belastungen der Turbinenschaufel 1 durch unterschiedliche
Strukturteile vorgesehen. Dies ist durch die separate
Anordnung der Plattform 6 und des Hakensockels 8 gewährleistet.
Die Plattform 6 dient nämlich zur ausschließlichen
Aufnahme der vom die Gasturbine durchströmenden heißen
Arbeitsmedium ausgehenden thermischen Belastung, ohne daß die
Plattform 6 dabei mechanischen Belastungen ausgesetzt wäre. The
Diese werden vielmehr von dem von der Plattform 6 strukturell
entkoppelten Hakensockel 8 aufgenommen, der seinerseits jedoch
durch die vorgeschaltete Plattform 6 einer nur vergleichsweise
geringen thermischen Belastung ausgesetzt ist.
Um den Einsatz der Turbinenschaufel 1 in einem thermisch hoch
belasteten Raumbereich noch zusätzlich zu erleichtern, ist.
die Turbinenschaufel 1 auch kühlbar ausgebildet. Dazu ist das
Schaufelblatt 2 in der Art einer Innenprofilierung mit einem
Hohlraum 10 ausgeführt, über den ein Kühlmittel wie beispielsweise
Kühlluft oder Kühllampf führbar ist.Rather, these are structurally from that of platform 6
decoupled
Die Plattform 6 weist einen vergleichsweise dünnwandig ausgeführten
Plattformboden 12 auf, der in seiner flächigen Ausgestaltung
im wesentlichen als Strahlungsschild für die vom die
Turbinen durchströmenden Arbeitsmedium abgegebene Wärmeleistung
wirkt. Für eine mögliche Verbindung mit umgebenden
Strukturelementen, beispielsweise durch Verhakung, und/oder
für eine Versteifung im Hinblick auf eine selbsttragende mechanische
Stabilität ist die Plattform 6 mit einem aufgedickten
Rand oder einer Verrippung ausgeführt und weist dazu
einen im Vergleich zum Plattformboden 12 verdickten Außenrand
14 auf. Durch den Außenrand 14 und den Plattformboden 12 entsteht
somit in der Art einer Vertiefung eine sogenannte
Plattformtasche.The platform 6 has a comparatively thin-walled
Für eine Vergleichsweise einfache Herstellbarkeit dieser
Plattformtasche auch ohne Verwendung "verlorener Einsätze"
ist die Turbinenschaufel 1 derart ausgelegt, daß auch unter
Vermeidung einer Hinterschneidung mit dem in den jeweiligen
Raumbereich hineinragenden Hakensockel 8 und somit unter Umführung
des jeweiligen Hakensockels 8 die reversible Einbringung
eines Formteils in den Raumbereich der durch den Außenrand
14 gemeinsam mit dem Plattformboden 12 gebildeten Vertiefung
ermöglicht ist. Um dies zu gewährleisten, ist die der
Schaufelachse 4 zugewandte Seitenwand 16 des Außenrandes 14
bezogen auf die Schaufelachse 4 gesehen abgeschrägt geführt.
Der diese Abschrägung charakterisierende Winkel α ist zu
mehr als 10° und zu weniger als 80°, nämlich im Ausführungsbeispiel
zu etwa 45°, gewählt.For a comparatively simple manufacturability of this
Platform bag even without using "lost bets"
is the
Der Außenrand 14 weist somit in seinem dem Plattformboden 12
zugewandten Bodenbereich einen vergleichsweise breiten Querschnitt
auf, der sich in Richtung zu seinem vom Plattformboden
12 abgewandten Ende 18 hin zunehmend verjüngt. Gerade in
diesem oberen Endbereich ist der Außenrand 14 somit aufgrund
des vergleichsweise geringfügigen Materialaufkommens mit vergleichsweise
einfachen Mitteln und insbesondere unter Verwendung
einer lediglich begrenzten Menge an Kühlmittel zuverlässig
kühlbar. Um eine derartig zuverlässige Kühlung bei nur
begrenzten Einsatz von Kühlmittel auch in seinem vergleichsweise
breit ausgeführten, dem Plattformboden 12 zugewandten
unteren Bereich zu ermöglichen, ist der Außenrand 14 in diesem
Bereich mit einer Anzahl von mit einem Kühlmittel beaufschlagbaren
Kühlbohrungen 20 versehen. Diese münden in ihrem
Auslaßbereich in einen gemeinsamen Kühlspalt 22.The
Die Turbinenschaufel 1 ist für eine hohe thermische Belastbarkeit
bei hoher mechanischer Festigkeit ausgelegt. Dazu ist
die Turbinenschaufel 1 in einkristalliner Bauweise ausgeführt.
Unter Einhaltung der dafür vorgesehenen Randbedingungen
wird die Turbinenschaufel 1 dazu unter Verwendung eines
in der Figur lediglich auszugsweise dargestellten Gießsystem
30 durch Gießen hergestellt. Das Gießsystem 30, das im wesentlichen
bei der Erstellung eines Wachsmodells für die Turbinenschaufel
1 zum Einsatz kommt, umfaßt als Grundelement
eine nicht näher dargestellte Gießform. In dieser Gießform
sind eine Anzahl von Maskenelementen positionierbar, die in
ihrer Gesamtheit einen der Kontur der herzustellenden Turbinenschaufel
1 entsprechenden Hohlraum freilassen, der in einem
anschließenden Arbeitsschritt mit gießfähigem Wachs befüllbar
ist. Neben anderen, für die Konturgebung der Turbinenschaufel
1 erforderlichen Elementen umfaßt das Gießsystem
30 insbesondere ein erstes Maskenelement 32, das in der Art
eines Umfangsschiebers einsetzbar ist. Das erste Maskenelement
32 umfaßt dazu neben anderen strukturbestimmenden Formelementen
eine die Grenzfläche des Plattformbodens 12 vorgebende
Ausnehmung 34.The
Das erste Maskenelement 32 ist zur endgültigen Formgebung für
die Plattform 6 durch ein zweites Maskenelement 36 ergänzt,
das im wesentlichen flächig ausgebildet und im ersten Maskenelement
32 verschiebbar geführt ist. In der in der Figur
gezeigten Gießposition ragt das zweite Maskenelement 36 derart
in die Ausnehmung 34 des ersten Maskenelements 32 hinein,
daß lediglich ein an die endgültige Formgebung der Plattform
6 angepaßter Raumbereich freigelassen ist. Dieser gibt somit
sowohl den Plattformboden 12 als auch den Außenrand 14 der
Plattform 6 vor.The
Um nach dem Gießen eines Wachsmodells für die Turbinenschaufel
1 eine einfache Entfernung der Maskenelemente 32, 36
durch einfaches Verschieben und ohne "verlorene Einsätze" zu
ermöglichen, ist das zweite Maskenelement 36 in einer um einen
Winkel β von etwa 45° gegenüber der die Grenzfläche des
Plattformbodens 12 vorgebenden Ausnehmung.34 verkippten,
durch den Doppelpfeil 38 angedeuteten Richtung verschiebbar
angeordnet. Auf diese Weise ist eine Entfernung des zweiten
Maskenelements 36 vom Wachsmodell der Turbinenschaufel 1 nach
dessen Gießen durch einfaches Verschieben in Richtung des
Doppelpfeils 38 ermöglicht, ohne daß dies durch den Hakensockel
8 beeinträchtigt wäre. Der Hakensockel 8 ist dafür in
seiner lateralen Ausdehnung derart dimensioniert, daß er den
durch die Linie 40 angedeuteten Raumbereich für das zweite
Maskenelement 36 nicht beeinträchtigt.To after casting a wax model for the
Um die Formgebung für die Plattform 6 insgesamt geeignet zu
ermöglichen, weist das zweite Maskenelement 36 zudem eine gegenüber
seiner Grundfläche 42 um einen Winkel γ von im Ausführungsbeispiel
etwa 45° verkippte Stirnfläche 44 auf, die
gemeinsam mit der Ausnehmung 34 des ersten Maskenelements
eine Gießmaske für den Plattformboden 12 bildet. To the shape for the platform 6 overall suitable
allow the
Nach erfolgtem Gießen des Wachsmodells der Turbinenschaufel 1
kann durch die derartige Ausgestaltung und das Zusammenwirken
des ersten Maskenelements 32 mit dem zweiten Maskenelement 36
das zweite Maskenelement 36 zunächst durch einfaches Verschieben
aus dem entstandenen Formkörper entfernt werden,
ohne daß dies durch eine Hinterschneidung beispielsweise mit
dem Hakensockel 8 behindert würde. Anschließend kann das
erste Maskenelement 32 durch Verschieben in der durch den
Doppelpfeil 46 angedeuteten Umfangsrichtung, also im wesentlichen
parallel zur Ausrichtung des Plattformbodens 12, entfernt
werden. Somit ist ein zuverlässiges Gießen des Wachsmodells
der Turbinenschaufel 1 ausschließlich unter Verwendung
von Schiebern und ohne Verwendung "verlorener Einsätze" ermöglicht,
so daß in besonders günstiger Weise die Herstellung
auch einkristalliner Turbinenschaufeln 1 ermöglicht ist. Bei
einer derartigen Herstellung kann im Bereich der Schaufelachse
4 ein die Plattformtasche begrenzender nasenartiger
Vorsprung 50 der Plattform 6 zurückbleiben. Dieser Vorsprung
50 kann in besonders günstiger Weise als Auflage oder Fixierungsmittel
für ein Prallkühlblech Verwendung finden.After casting the wax model of the
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