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WO2010034606A1 - Formteil mit separatem modul für stege, verfahren zur herstellung einer gussform, keramische gussform und gussteil - Google Patents

Formteil mit separatem modul für stege, verfahren zur herstellung einer gussform, keramische gussform und gussteil Download PDF

Info

Publication number
WO2010034606A1
WO2010034606A1 PCT/EP2009/061449 EP2009061449W WO2010034606A1 WO 2010034606 A1 WO2010034606 A1 WO 2010034606A1 EP 2009061449 W EP2009061449 W EP 2009061449W WO 2010034606 A1 WO2010034606 A1 WO 2010034606A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
webs
molding according
casting mold
modules
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/061449
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Uwe Paul
Hans-Thomas Bolms
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP09782603A priority Critical patent/EP2340137A1/de
Publication of WO2010034606A1 publication Critical patent/WO2010034606A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores

Definitions

  • Molded part with separate module for webs method of making a mold, ceramic mold and casting
  • the invention relates to a molded part, which includes a separate module for the molding of webs, a method for producing a casting mold, a ceramic casting mold and a casting.
  • the interior of cooled turbine blades is very important for the heat distribution and heat transfers for the internal flow of the cooling medium and for some mechanical properties. So there are at the blade leading edge heat transfer bridges, which cool the flow edge, but also generate pressure losses to control the internal coolant flow. They also provide the mechanical strength of the thin vane wall portions of the flow edge. These transitions are also part of a molded part used during casting for molded parts. Due to the inflow of ceramic material, the corresponding pins are subject to a certain abrasion, which can no longer be tolerated to a certain extent. The cost of these moldings are high.
  • the object is achieved by a molding according to claim 1, a method according to claim 13, a ceramic casting mold according to claim 15 and a casting according to claim 16.
  • FIG. 1 component with heat transfer pins
  • FIG. 2 shows a molded part according to the prior art
  • FIGS. 3 to 6 show molded parts with separate modules
  • FIG. 7 shows a gas turbine
  • FIG. 8 shows a turbine blade
  • FIG. 1 shows a component 1, preferably a turbine blade 120, 130, which has a cavity 2 and walls 7, 7 '.
  • Such complex components 1, 120, 130 are made by casting using modular moldings 10 '(FIG. 2) to make the corresponding mold or casting core.
  • the mold parts 10 represent the corresponding negative of the molds for the component 1, 120, 130.
  • FIG. 2 shows a module 10 'according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a modular molded part 10 according to the invention.
  • the molded part 10 (FIGS. 3-6) is used in particular for the production of casting cores.
  • the molded part 10 has a first module 13 and a second
  • Module 16 the inner walls enclose a cavity 11 at least partially, in the material, preferably ceramic, introduced under high pressure, preferably pressed, is.
  • the second module 16 has passages 17, 17 'through which projections 25, 25' of a separate exchange module 19 pass and 25, 25 'except for the inner one Surface of the opposite first module 13 pass.
  • the replacement module 19 has a block 20 disposed outboard of the second module 16 (i.e., not in the cavity 11). At the block 20, the webs 25, 25 'are arranged.
  • the projections 25, 25 When introducing material, preferably ceramic, into the cavity 11, the projections 25, 25 'prevent material from getting there.
  • the modules 13, 16 have no integrally connected projections (not in a cast, non-detachable, ...), which form the webs.
  • the first or second module 13, 16 is chosen arbitrarily, ie the separate replacement module 19 can also be applied to the first module 13.
  • the webs 25, 25 ' can also be arranged detachably on the block 20.
  • a recess 18, 18 ' (indicated by dashed lines) may be present, in which the end 26, 26' of the projection 25, 25 'come in, so that the projection 25, 25' not on the surface in Cavity 11 of the wall 13 is present.
  • FIG. 4 shows a further separate first module 13 or second module 16.
  • the advantage here is that only a small portion 22, 22 'of a module 13, 16 must be replaced.
  • a module 13, 16 there may be a recess (not shown, similar to Fig. 3) in which the end of the projection 25, 25 'enters, such that the projection 25, 25' is not on the surface in the cavity 11 of the wall 13 is present.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a separate exchange module 21, in which on the inside 29 of the
  • Module 16 (i.e., in the cavity 11), a further exchange module 21 is present, the corresponding projections 25, 25 'has.
  • the surface of the separate replacement module 21 then represents the boundary surface to the cavity 11 here.
  • the module 16 represents the reinforcement for the separate replacement module 21.
  • the separate module is made correspondingly thinner and because of low material synonymous cheaper and thus cheaper to exchange.
  • the first 13 or the second 16 module is divided into two parts.
  • a recess 18, 18 ' (indicated by dashed lines) may be present, in which the end of the projection 25, 25' in, so that the projection 25, 25 'not on the surface in the cavity 11 of the wall 13 is present.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention.
  • both the first module 13 and the second module 16 have passages 17, 17 ', 17' ', 17' '', through which webs 25, 25 'of a further exchange module 27 and webs 25'.
  • ', 25' "'pass through openings of a second exchange module 28 in the interior 11 and completely bridge this.
  • the webs 25, 25 ', 25' ', 25' '' could also be detachably exchangeable on the replacement modules 27, 28.
  • FIG. 7 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality Coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working medium 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium flows
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one member of the group
  • Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon, scandium (Sc) and / or at least one element of rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • MCrAlX may still be a thermal barrier layer is present, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2 ⁇ 3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 8 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • the production of such monocrystalline workpieces for example, by directed solidification from the melt.
  • These are casting methods in which the liquid metallic alloy solidifies into a monocrystalline structure, ie a single-crystal workpiece, or directionally.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole Workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified columnar grain structure
  • a monocrystalline structure ie the whole Workpiece consists of a single crystal.
  • the term generally refers to directionally solidified microstructures, which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries.
  • These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. Thereafter, a the coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 9 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction around a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or
  • ceramic heat may be medämm harsh, consisting for example of ZrO 2, ZrO 2 Y2Ü3-ie, it is not partially full text or ⁇ dig stabilized by yttrium oxide and / or calcium and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and may still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die einzelnen Bestandteile eines Formteils unterliegen unterschiedlicher Abrasion und müssen in einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden. Es wird daher vorgeschlagen, die Bereiche des Formteils separat auszubilden, die einer höheren Abrasion unterliegen bzw. deren Anforderungen an die Geometrie höher sind.

Description

Formteil mit separatem Modul für Stege, Verfahren zur Herstellung einer Gussform, keramische Gussform und Gussteil
Die Erfindung betrifft ein Formteil, das ein separates Modul für die Formgebung von Stegen beinhaltet, ein Verfahren zur Herstellung einer Gussform, eine keramische Gussform und ein Gussteil .
Das Innere von gekühlten Turbinenschaufeln ist sehr wichtig für die Wärmeverteilung und Wärmeübergänge für den internen Strom des Kühlmediums und für einige mechanische Eigenschaften. So gibt es an der Schaufelaustrittskante Wärmeübergangsbrücken, welche die Strömungskante kühlen, aber auch Druck- Verluste generieren, um den internen Kühlflüssigkeitsstrom zu kontrollieren. Sie stellen auch die mechanische Festigkeit der dünnen Schaufelwandbereiche der Strömungskante her. Diese Übergänge sind auch ein Teil eines Formteils, das während der Produktion für Formteile beim Gießen verwendet wird. Durch das Einströmen von keramischem Material unterliegen die entsprechenden Stifte einer gewissen Abrasion, die ab einem gewissen Maß nicht mehr toleriert werden kann. Die Kosten für diese Formteile sind hoch.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Formteil gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 13, eine keramische Gussform nach Anspruch 15 und ein Gussteil nach Anspruch 16.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigen
Figur 1 Bauteil mit Wärmeübergangsstiften,
Figur 2 ein Formteil nach dem Stand der Technik, Figur 3 - 6 Formteile mit separaten Modulen,
Figur 7 eine Gasturbine,
Figur 8 eine Turbinenschaufel,
Figur 9 eine Brennkammer mit Brennkammersteinen.
Die Figuren und die Beschreibung zeigen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In Figur 1 ist ein Bauteil 1, vorzugsweise eine Turbinen- schaufei 120, 130 gezeigt, die einen Hohlraum 2 und Wände 7, 7' aufweist.
Zwischen den Wänden 7, 7' gibt es Stege 4 als Wärmeübergangsbrücken, die zur mechanischen Stabilität, aber auch zur Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung dienen. Diese Stege 4 überbrücken den Abstand zwischen den Wänden 7, 7' vollständig.
Solche komplexen Bauteile 1, 120, 130 werden durch Gießen hergestellt, wobei modulare Formteile 10' (Fig. 2) verwendet werden, um die entsprechende Gussform oder den Gusskern herzustellen.
Die Formteile 10' stellen das entsprechende Negativ der Gussformen für das Bauteil 1, 120, 130 dar.
Figur 2 zeigt ein Modul 10' nach dem Stand der Technik.
Stege 24, 24' verschleißen schneller als die Wände der Module 13', 16', da sie von dem keramischen Material für die Gussform umströmt werden. Dann muss das gesamte Modul 13' und/oder Modul 16' ausge- tauscht werden. In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes modulares Formteil 10 gezeigt .
Das Formteil 10 (Fig. 3-6) wird insbesondere zur Herstellung von Gusskernen verwendet. Das Formteil 10 weist ein erstes Modul 13 und ein zweites
Modul 16 auf, deren innere Wände einen Hohlraum 11 zumindest teilsweise umschließen, in den Material, vorzugsweise Keramik, unter hohem Druck eingebracht, vorzugsweise eingedrückt, wird. Um die entsprechenden Stege 4 als Wärmeübergangsstifte wie in Figur 1 zu erzeugen, weist hier beispielsweise das zweite Modul 16 Durchgänge 17, 17' auf, durch die Vorsprünge 25, 25' eines separaten Austauschmoduls 19 hindurchgelangen und die 25, 25' bis auf die innere Oberfläche des gegenüberliegenden ersten Moduls 13 gelangen.
Das Austauschmodul 19 weist einen Block 20 auf, der an dem zweiten Modul 16 außenliegend (d. h. nicht im Hohlraum 11) angeordnet ist. An dem Block 20 sind die Stege 25, 25' ange- ordnet.
Beim Einbringen von Material, vorzugsweise von Keramik in den Hohlraum 11 verhindern die Vorsprünge 25, 25', dass dort Material hingelangt.
Die Module 13, 16 weisen keine integral verbundene Vorsprünge auf (nicht in einem gegossen, nicht lösbar, ...) , die die Stege bilden .
Bei zu hohem Verschleiß der Stege 25, 25' muss nur das separate, kleinere Austauschmodul 19 ersetzt werden und nicht die kompletten ersten und/oder zweiten Module 13, 16.
Es ist offensichtlich, dass in Figur 2 das erste oder zweite Modul 13, 16 beliebig gewählt ist, d.h. das separate Austauschmodul 19 kann auch an das erste Modul 13 angelegt werden . Die Stege 25, 25' können auch lösbar an dem Block 20 angeordnet sein.
Vorzugsweise kann in einem Modul 13, 16 eine Vertiefung 18, 18' (gestrichelt angedeutet) vorhanden sein, bei dem das Ende 26, 26' des Vorsprungs 25, 25' hineingelangt, so dass der Vorsprung 25, 25' nicht auf der Oberfläche im Hohlraum 11 der Wand 13 anliegt.
In Figur 4 ist ein weiteres separates erstes Modul 13 oder zweites Modul 16 gezeigt.
Bei diesem separaten Modul stellen Stifte 22, 22' in den ersten und zweiten Modulen 13, 16 das separate Modul dar, die Vorsprünge in einem Formteil 10 bilden und separat ausgetauscht werden können, d.h. das Modul 13, 16 wird öfters verwendet, wobei die lösbar angeordneten Stifte 22, 22' (= separates Modul) nach mehrmaligem Gebrauch ausgetauscht werden können . So bietet sich hier der Vorteil, dass nur ein kleiner Anteil 22, 22' eines Moduls 13, 16 ersetzt werden muss. Vorzugsweise kann in einem Modul 13, 16 eine Vertiefung (nicht dargestellt, ähnlich wie in Fig. 3) vorhanden sein, bei dem das Ende des Vorsprungs 25, 25' hineingelangt, so dass der Vorsprung 25, 25' nicht auf der Oberfläche im Hohlraum 11 der Wand 13 anliegt.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines separa- ten Austauschmoduls 21, bei dem auf der Innenseite 29 des
Moduls 16 (d. h. im Hohlraum 11) ein weiteres Austauschmodul 21 vorhanden ist, das entsprechende Vorsprünge 25, 25' aufweist .
Die Oberfläche des separaten Austauschmoduls 21 stellt hier dann die Begrenzungsfläche zu dem Hohlraum 11 dar. Das Modul 16 stellt die Verstärkung für das separate Austauschmodul 21 dar . Das separate Modul ist entsprechend dünner ausgeführt und wegen geringem Material auch billiger und damit kostengünstiger auszutauschen.
Das erste 13 oder das zweite 16 Modul ist also zweigeteilt.
Die Stege 25, 25' können auch lösbar an dem Austauschmodul 21 angeordnet sein.
Die Wahl, an welchem Modul 13, 16 das Austauschmodul 21 anliegt ist unerheblich.
Vorzugsweise kann in einem Modul 13, 16 eine Vertiefung 18, 18' (gestrichelt angedeutet) vorhanden sein, bei dem das Ende des Vorsprungs 25, 25' hineingelangt, so dass der Vorsprung 25, 25' nicht auf der Oberfläche im Hohlraum 11 der Wand 13 anliegt .
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ausgehend von der Ausführung gemäß Figur 3 weisen sowohl das erste Modul 13 als auch das zweite Modul 16 Durchgänge 17, 17', 17'', 17''' auf, durch die Stege 25, 25' eines weiteren Austauschmoduls 27 und Stege 25'', 25'"' durch Öffnungen eines zweiten Austauschmoduls 28 in den Innenraum 11 gelangen und diesen vollständig überbrücken.
Ebenfalls könne die Stege 25, 25', 25'', 25'"' auch lösbar austauschbar an den Austauschmodulen 27, 28 vorhanden sein.
Die Figur 7 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn- kammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium
113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet . Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe
Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt- riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt. Die Figur 8 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil- den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,
Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 9 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme- dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder
Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrah- len) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitze- schildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Modulares Formteil (10) aus mehreren Modulen (13, 16) zur Herstellung einer Gussform, insbesondere eines Gusskerns, das (10) zumindest aufweist: ein erstes Modul (13), ein zweites Modul (16), die (13, 16) einen Hohlraum (11) zumindest teilweise umschließen, in den (11) Material für die Gussform einbringbar ist, wobei in dem Hohlraum (11) Stege (25, 25') vorhanden sind, die (25, 25') den Hohlraum (11) zwischen dem ersten Modul (13) und dem zweiten Modul (16) überbrücken,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stege (25, 25', 25'', 25'"') austauschbar sind und dass die Module (13, 16) mit erneuerten Stegen (25, 25', 25'', 25'"') wieder verwendbar sind.
2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein weiteres, separates Austauschmodul (19, 21, 27, 28, 22, 22') mit Stegen (25, 25', 25'', 25''') vorhanden ist.
3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
nur ein weiteres Austauschmodul (19, 21) vorhanden ist.
4. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei, insbesondere nur zwei weitere Austauschmodule (27, 28) vorhanden sind.
5. Formteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10) ein separates Austauschmodul (19, 27, 28) aufweist, das (19, 27, 28) Stege (25, 25', 25'', 25''') aufweist, wobei das erste Modul (13) und/oder das zweite Modul (16) Durchgänge (17, 17', 17'', 17''') aufweist, durch die die Stege (25, 25', 25'', 25'"') durch das erste Modul (13) oder durch das zweite Modul (16) gelangen, so dass die Stege (25, 25', 25'', 25'"') innerhalb des Hohlraums (11) angeordnet sind.
6. Formteil nach Anspruch 5, bei dem nur ein Modul (13, 16) Durchgänge (17, 17') aufweist .
7. Formteil nach Anspruch 5, bei dem zwei Module (13, 16) Durchgänge (17, 17', 17'', 17 ' ' ' ) aufweisen .
8. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste und/oder zweite Modul (13, 16) Stege (25, 25') aufweist, die als separate und austauschbare Module (22, 22') an dem ersten (13) oder zweiten Modul (16) befestigt sind.
9. Formteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein separates Austauschmodul (21) flächig auf der inneren Seite (29) des ersten oder zweiten Moduls (13, 16) aufliegt, wobei das Modul (21) Vorsprünge aufweist, die die Stege (25, 25') bilden.
10. Formteil nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 6, 8 oder 9, bei dem das gegenüberliegende Modul (16, 13) eine Vertie- fung (18, 18') in der Wand (13, 16) aufweist, in die (18, 18') die Stege (25, 25') der Austauschmodule zumindest teilweise hineinragen.
11. Formteil nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 7, 9 oder 10, bei dem an dem Austauschmodul (19, 21, 27, 28) die Stege (25, 25', 25'', 25'"') austauschbar sind.
12. Formteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste und zweite Modul (13, 16) keine integral verbundene Vorsprünge aufweisen, die Stege bilden.
13. Verfahren zur Herstellung einer Gussform, insbesondere eines Gusskerns, bei dem ein Formteil (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem keramisches Material in das Formteil (10) eingebracht wird.
15. Keramische Gussform, insbesondere ein keramischer Gusskern, die durch ein Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 hergestellt wird.
16. Gussteil (120, 130), das mit einer keramischen Gussform nach Anspruch 15 hergestellt ist.
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