DE3706260A1 - Turbomaschinenschaufel mit oberflaechennahen kuehlkanaelen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschinen­ schaufel, insbesondere für den Eintrittsbereich von Gasturbinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Für kleinere Turbomaschinenschaufeln, insbesondere im Eintrittsbereich von Gasturbinen, wo besonders hohe Temperaturen herrschen, ist es bekannt, eine interne Kühlung der Schaufeln vorzusehen. Aus den Schriften US-PS 40 73 599, US-PS 41 27 358 und US-PS 40 67 662 sind verschiedene Arten solcher Schaufeln und geeignete Herstellungsverfahren bekannt. Dabei bereiten insbe­ sondere die feinen Strukturen der Kühlkanäle im Bereich der Strömungsleitflächen erhebliche Probleme und er­ fordern einen großen Aufwand. Da insbesondere Lauf­ schaufeln ganz erheblichen Fliehkräften widerstehen müssen, sind bei der Anbringung solcher Kühlkanäle zusätzlich Festigkeitsprobleme zu berücksichtigen.

Neben den aus den obigen Schriften bekannten Her­ stellungsverfahren ist es auch bekannt, die Kühl­ kanäle durch Bohrungen in einen massiven Schaufel­ körper herzustellen, wobei wegen der Länge der Bohrungen nur teuere Sonderverfahren, wie Elektrokorrosion etc., in Frage kommen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer preisgünstig herstellbaren Turbomaschinenschaufel mit internen, oberflächennahen Kühlkanälen und die Angabe eines geeigneten Herstellungsverfahrens. Dabei wird zu­ sätzlich angestrebt, die Wirkung der Kühlkanäle durch ge­ eignete Formgebung zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Turbomaschinen­ schaufel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 enthalten. Ein entsprechen­ des Verfahren und bevorzugte Einzelheiten dazu werden in den Ansprüchen 6 bis 9 angegeben.

Im Gegensatz zum Tiefbohren von Kühlkanälen in fertige Schaufelkörper ist die Herstellung von Oberflächen­ nuten relativ einfach. Entweder können die Oberflächen­ nuten bereits beim Guß des Schaufelkörpers ausgespart bleiben, oder sie können mit einfachen Mitteln nach­ träglich herausgefräst werden. Anschließend wird jede einzelne Nut mit einer Abdeckung oder einer voll­ ständigen Auskleidung, beispielsweise in Form eines metallischen Röhrchens, versehen. Die Abdeckungen bzw. Röhrchen werden fügetechnisch mit dem Schaufelkörper verbunden, vorzugsweise durch Hartlöten. Andere Ver­ bindungsverfahren, wie Kleben oder Schweißen, insb. Laser- oder Elektronenstrahl-Schweißen, sind möglich. Hartlöten bietet sich allerdings aus zwei Gründen be­ sonders an. Zum einen sind bereits erprobte Lote bekannt, mit denen Schaufeloberflächen z. B. bei Beschädigungen bisher repariert werden konnten. Außerdem bildet das Lot beim Lötvorgang mit der Abdeckung bzw. der Aus­ kleidung der Oberflächennuten eine gleichmäßige, der Schaufelkontur entsprechende Oberfläche, was bei anderen fügetechnischen Verfahren nicht ohne zusätzliche Bear­ beitung problemlos erreichbar wäre.

Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, bietet das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zusätzlich leicht die Möglichkeit, Kühlkanäle mit nicht runden Querschnitt herzustellen; so können nunmehr abgeflachte Querschnittsformen, die für die Kühlwirkung bedeutend besser sind, hergestellt werden. Hinzu kommt, daß nicht wie beim Tiefbohren ein Sicherheitsabstand zur Oberfläche aus Festigkeitsgründen eingehalten werden muß. Die Abdeckung bzw. die in die Nuten eingesetzten Röhrchen können eine genau definierte, relativ geringe Wanddicke aufweisen, wodurch sich eine hohe Kühlwirkung mit geringen Fertigungstoleranzen verwirklichen läßt.

Grundsätzlich bietet das erfindungsgemäße Herstellungs­ verfahren gegenüber dem Tiefbohren noch die Möglich­ keit, nicht gerade verlaufende Kühlkanäle herzustellen, falls dies gewünscht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch, unter Weglassung der für die Erfindung nicht wesent­ lichen Einzelheiten, in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Laufschaufel einer Gas­ turbine,

Fig. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3, 4, 5 und 6 Querschnitte durch verschiedene Aus­ führungsbeispiele von erfindungsgemäß hergestellten Kühlkanälen.

Fig. 1 zeigt beispielhaft und stark schematisiert den Aufbau einer Turbomaschinenschaufel mit internen, ober­ flächennahen Kühlkanälen. Eine solche Schaufel 1 weist üblicherweise einen Schaufelfuß 2 zur Halterung auf, welcher Kühlfluidzuführungen 3 enthält. Der Schaufelkopf 4 enthält dementsprechend Kühlfluidabführungen 5. Nahe den Oberflächen der eigentlichen Strömungsleit­ flächen sind Kühlkanäle 7 vorhanden, welche mit den Kühlfluidzuführungen 3 und den Kühlfluidabführungen 4 in Verbindung stehen. Das Innere der Schaufel ist teil­ weise ein Hohlraum 6, der ebenfalls gestrichelt angedeu­ tet ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Kühl­ kanäle in Oberflächennuten wird die Verbindung zu den Kühlfluidzuführungen 3 durch Bohrungen 8 und zu den Kühlfluidabführungen 5 durch Bohrungen 9 hergestellt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II durch Fig. 1, um die Lage und Verteilung der einzelnen Oberflächennuten in bezug auf das Schaufelprofil zu ver­ anschaulichen. In den folgenden Figuren werden Aus­ schnitte aus diesem Querschnitt mit jeweils einem Kühl­ kanal gezeigt.

In Fig. 3 wird der Kühlkanal 37 von einem Röhrchen 38 gebildet, welches in eine Oberflächennut 31 eingelegt ist. Die Nut hat einen länglichen Querschnitt, so daß der Nutengrund 33 breiter als die Tiefe der Nutenflanke 32 ist. Das Röhrchen 38 wird vorzugsweise in der Nut 31 durch Hartlöten befestigt, wobei sich der Spalt 34 mit Lot füllt, so daß eine sichere Halterung und eine glatte Schaufeloberfläche entsteht. Der verbreiterte Querschnitt des Kühlkanals 37 hat eine verbesserte Wärmeabfuhr von der Schaufeloberfläche zur Folge, wobei die relativ dünne Wand des Röhrchens 38 dies noch begünstigt.

In Fig. 4 ist der Kühlkanal 47 teilweise durch die Nut 41 und teilweise durch eine auf einem Nutkragen 45 auf­ liegende Abdeckung 48 gebildet. Die Abdeckung 48 kann wiederum durch Hartlöten befestigt sein, es bieten sich hier jedoch auch andere Verfahren, insbesondere Schweißen, an.

In Fig. 5 wird der Kühlkanal 57 durch ein rundes Röhr­ chen 58 gebildet, welches in eine Nut 51 mit quadrati­ schem Querschnitt eingelegt ist. Die durch das Röhrchen 58 nicht ausgefüllten Bereiche der Nut 51 sind nach dem Löten durch Lot ausgefüllt.

In Fig. 6 ist eine Zwischenlösung zwischen Abdeckung und eingelegtem Röhrchen dargestellt, wobei der Kühl­ kanal 67 an einer Seite durch den Nutengrund 63 der Oberflächennut 61 gebildet wird, während die drei an­ deren Seiten von einem etwa U-förmigen Röhrchen 68 begrenzt werden. Die Nutenflanken 62 überlappen mit dem U-förmigen Röhrchen, so daß dieses wiederum gut einge­ lötet werden kann, wobei sich der Spalt 64 mit Lot füllt.

Da vorzugsweise beim Einlöten von Röhrchen möglichst alle Kühlkanäle, zumindest auf einer Schaufelseite, gleichzeitig hergestellt werden sollen, müssen die eingelegten Röhrchen präzise gehaltert werden. Dabei können die Verbindungsbohrungen 8, 9 zu den Kühlfluid­ zuführungen 3 bzw. den Kühlfluidabführungen 5 mit ver­ wendet werden. Bei den Formen von Nuten und Kühlkanälen gemäß den Fig. 3 und 6 ist eine sichere Halterung der eingelegten Röhrchen 38, 68 auch anders zu erreichen. Solche Röhrchen können beispielsweise unter Verformung in die Nuten eingepreßt werden. Bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 6 können die Seitenwände des Röhrchens 68 leicht nach außen gebogen sein, so daß sie sich auch vor dem Löten bereits an den Nutenflanken 62 abstützen und sicher gehaltert sind. Für das Aufbringen von Lot bzw. dessen Einbringen in die entstehenden engen Spalte gibt es wiederum unterschiedliche Möglichkeiten. Beispiels­ weise können die Röhrchen vor dem Einsetzen in die Nuten belotet sein. Auch ein nachträgliches Beloten ist wegen der Kapillarwirkung an schmalen Spalten möglich, sofern geeignete Flußmittel und Lote verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung von Turbomaschinenschaufeln mit internen, oberflächennahen Kühlkanälen, wobei zusätzlich die Wir­ kung der Kühlkanäle durch angepaßte Querschnittsform und geringeren Abstand von der Schaufeloberfläche ver­ bessert werden kann.

Claims (9)

1. Turbomaschinenschaufel (1), insbesondere für den Eintrittsbereich von Gasturbinen, mit internen, ober­ flächennahen Kühlkanälen (7; 37; 47; 57; 67), dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (7; 37; 47; 57; 67) aus Oberflächennuten (31; 41; 51; 61) mit einer Abdeckung (48) oder in ihnen verlegten und befestigten dünnwandigen Röhrchen (38; 58; 68) gebildet sind.

2. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächennuten (31; 41; 61) und ggf. die Röhrchen (38; 58; 68) einen länglichen Querschnitt haben mit größerer Ausdehnung parallel zur Oberfläche der Schaufel (1) als in Rich­ tung des Inneren der Schaufel (1).

3. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (48) bzw. die Röhrchen (38; 58; 68) aus einem Material bestehen, welches gut mit dem Schaufel­ werkstoff fügetechnisch, z. B. durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbindbar ist.

4. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (68) an der Nutengrundseite (63) offen sind und nur im Bereich der Nutenflanken (62) mit diesen überlappen.

5. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (48) bzw. die Röhrchen (38; 58; 68) in die Oberflächen der Nuten (31; 41; 51; 61) eingelötet sind, wobei das Lot (59) und/oder Teile der Röhrchenwand (38, 58, 68) bzw. der Abdeckung (48) die Oberfläche der Schau­ fel (1) bilden.

6. Verfahren zur Herstellung einer Turbomaschinenschau­ fel (1) mit internen, oberflächennahen Kühlkanälen (7; 37; 47; 67) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:

• a) Die Schaufel (1) wird unter Aussparung von Oberflächen­ nuten (31; 41; 51; 61) entsprechend dem Verlauf der gewünschten Kühlkanäle (7; 37; 47; 57; 67) gegossen oder gefertigt.
• b) Die Oberflächennuten (31; 41; 51; 61) werden mit einer Abdeckung (48) und/oder Auskleidung (38; 58; 68) von definierter Dicke versehen, die fügetech­ nisch, z. B. durch Löten, schweißen oder Kleben, befestigt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abdeckungen (48) bzw. Auskleidungen (38; 58; 68) vor und bei der fügetech­ nischen Befestigung durch die für die Zu- bzw. Abfuhr von Kühlfluid nötigen und vorgesehenen Löcher (8, 9) in dem Fuß (2) bzw. Kopf (4) der Schaufel (1) gehaltert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächennuten (31; 41; 61) breiter als tief hergestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nuten (31; 61) ggf. schon mit Lot umgebene, Röhrchen (38; 68) von gleicher Außenquerschnittsfläche eingesetzt werden, wobei die Röhrchen (38), sofern sie zunächst eine andere Querschnittsform als die Nuten (31) haben, unter Ver­ formung eingepreßt werden können.