EP2584146A1

EP2584146A1 - Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine und entsprechende Laufschaufel

Info

Publication number: EP2584146A1
Application number: EP11186202.5A
Authority: EP
Inventors: Michael Clossen-Von Lanken Schulz; Kai Kadau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-24

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine weist folgende Schritte auf: Konstruieren der Laufschaufel als eine Hohlschaufel (1), deren Wandstärke radial nach außen abnimmt und derart dimensioniert ist, dass die Laufschaufel ihrer Gaskraftbelastung und ihrer Fliehkraftbelastung im Betrieb der Strömungsmaschine standhält; Ermitteln von mindestens einem durch Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine übermäßig belasteten Bereich der Hohlschaufel (1); Verdicken (18) der Hohlschaufel (1) nach innen an dem Bereich und/oder Versehen einer Stützstruktur (15 bis 17, 19) im Inneren der Hohlschaufel an dem Bereich, so dass die Festigkeit der Hohlschaufel (1) an diesem Bereich lokal erhöht ist, wodurch die Hohlschaufel (1) den Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine standhält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine sowie die mit dem Verfahren hergestellte Laufschaufel.
Eine Gasturbine weist einen Verdichter beispielsweise in Axialbauweise auf, in dem Luft komprimiert wird, bevor sie zum Verbrennen in eine Brennkammer der Gasturbine eingeleitet wird. Der Verdichter weist feststehende Leitschaufeln sowie rotierende Laufschaufeln auf. Die Leitschaufeln und die Laufschaufeln sind im Betrieb der Gasturbine entsprechenden Belastungen ausgesetzt, die die Lebensdauer der Leitschaufeln und der Laufschaufeln reduzieren. Unter anderem erfahren die Leitschaufeln und die Laufschaufeln eine Beanspruchung durch Schwingungen und eine Fliehkraftbelastung. Die Fliehkraftbelastung nimmt mit zunehmender Länge und zunehmender Masse der Laufschaufeln sowie mit zunehmender Drehzahl zu und ist insbesondere an den Schaufelwurzeln der Laufschaufeln hoch. Hervorgerufen durch diese Belastungen an den Schaufelwurzeln können sich Risse bilden, die zum Versagen der Laufschaufel im Betrieb der Gasturbine führen können. Um derartige Schäden vorzubeugen, werden herkömmlich besonders feste Materialien, wie z.B. Titan, Superlegierungen auf der Basis von Nickel oder Verbundwerkstoffe, für die Laufschaufeln eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine sowie die mit dem Verfahren hergestellte Laufschaufel zu schaffen, wobei die Laufschaufel leicht ausgebildet ist und dennoch eine hohe Festigkeit hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine weist folgende Schritte auf: Konstruieren der Laufschaufel als eine Hohlschaufel, deren Wandstärke radial nach außen abnimmt und derart dimensioniert ist, dass die Laufschaufel ihrer Gaskraftbelastung und ihrer Fliehkraftbelastung im Betrieb der Strömungsmaschine standhält; Ermitteln von mindestens einem durch Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine übermäßig belasteten Bereich der Hohlschaufel; Verdicken der Hohlschaufel nach innen an dem Bereich und/oder Versehen einer Stützstruktur im Inneren der Hohlschaufel an dem Bereich, so dass die Festigkeit der Hohlschaufel an diesem Bereich lokal erhöht ist, wodurch die Hohlschaufel den Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine standhält.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für lange Laufschaufeln, weil bei ihnen die Fliehkraftbelastung besonders hoch ist. Indem die Laufschaufel als die Hohlschaufel ausgeführt wird, ist ihre Masse verglichen mit einer Vollschaufel vermindert, wodurch vorteilhaft ihre Fliehkraftbelastung im Betrieb vermindert ist. Indem die Wandstärke radial nach außen abnimmt, ist sie im Bereich des Schaufelfußes, also in dem Bereich, an dem die Fliehkraftbelastung am höchsten ist, vorteilhaft am stärksten. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist es, dass die Hohlschaufel mit einem geringen Materialbedarf herstellbar ist.
Dadurch, dass die Hohlschaufel an den durch Schwingungen übermäßig belasteten Bereichen Verdickungen und/oder die Stützstruktur aufweist, ist sie vorteilhaft selektiv an diesen Bereichen verstärkt. Gleichzeitig ist die Hohlschaufel an weniger belasteten Bereichen dünn ausgeführt, so dass insgesamt die Hohlschaufel vorteilhaft mit einer geringen Masse fertiggestellt werden kann. Durch die Stützstruktur kann vorteilhaft die Festigkeit der Hohlschaufel erhöht werden.
Bevorzugt weist das Verfahren folgenden Schritt auf: Fertigstellen der Laufschaufel durch ein generatives Fertigungsverfahren.
Bevorzugtermaßen nimmt die Stärke der Stützstruktur radial nach außen ab. Es ist bevorzugt, dass die Hohlschaufel zusammen mit der Stützstruktur einstückig ausgebildet ist. Dies kann erreicht werden, wenn die Hohlschaufel in einem einzigen Schritt gefertigt wird. Die Stützstruktur weist bevorzugt mindestens einen von der Druckseite zur Saugseite der Hohlschaufel sich erstreckenden Stützsteg auf. Der Stützsteg kann dabei mit der Wand der Hohlschaufel einen rechten Winkel einschließen oder er kann mit der Wand einen spitzen Winkel einschließen. Der Winkel des Stützstegs kann bevorzugt an die auf die Wand wirkenden Kräfte derart angepasst werden, dass die Kräfte effektiv abgeleitet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Stützstruktur mindestens zwei sich paarweise kreuzende Stützstege aufweist. Die Stützstruktur kann auch bevorzugtermaßen eine Fachwerkstruktur aufweisen. Durch diese beiden Geometrien ist die Festigkeit der Hohlschaufel besonders hoch. Die Stützstruktur weist bevorzugt eine Wabenstruktur auf. Mit der Wabenstruktur kann vorteilhaft eine stabile Stützkonstruktion mit einem geringen Materialbedarf hergestellt werden.
Bevorzugt sind an der Schaufelspitze der Hohlschaufel Kühlluftlöcher angeordnet. Wird die Hohlschaufel durch Kühlluft von innen gekühlt, kann durch die Kühlluftlöcher an der Schaufelspitze die Kühlluft vorteilhaft abgeführt werden. Des Weiteren sperrt die aus den Kühlluftlöchern austretende Kühlluft den Radialspalt an der Schaufelspitze der eingebauten Laufschaufel, so dass die Leckage durch den Radialspalt vermindert wird.
Die Hohlschaufel ist im nabennahen Bereich bevorzugt massiv ausgebildet. Dadurch ist die Hohlschaufel vorteilhaft an den durch Fliehkräfte besonders stark belasteten Bereichen besonders stark ausgebildet. Die Wandstärke nimmt bevorzugt nach radial außen linear ab. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Wandstärke im nabennahen Bereich degressiv abnimmt. Durch die beiden Maßnahmen ist vorteilhaft erreicht, dass die Masse der Schaufel gering ist und gleichzeitig die Schaufel an den durch die Fliehkräfte belasteten Bereichen fest ausgebildet ist. Durch das degressive Abnehmen der Wanddicke werden scharfe Kanten vermieden, wodurch die Bildung von Rissen vorteilhaft unterbunden wird. Die Laufschaufel ist bevorzugt eine Verdichterlaufschaufel oder eine Turbinenlaufschaufel insbesondere einer Gasturbine, eine Dampfturbinenlaufschaufel, eine Schaufel einer Wasserturbine oder ein Rotorblatt einer Windturbine.
Bevorzugt ist das generative Fertigungsverfahren selektives Laserschmelzen und/oder selektives Lasersintern. Bei den beiden genannten Verfahren wird ein Pulver aus dem Material, aus dem die Hohlschaufel hergestellt wird, schichtweise auf einen vertikalverschiebbaren Kolben aufgetragen. Die Bereiche, aus denen die Hohlschaufel hergestellt werden soll, werden selektiv mit einem Laser bestrahlt. Bei dem selektiven Laserschmelzen wird die Laserleistung so gewählt, dass die Partikel des Pulvers vollständig geschmolzen werden. Bei dem selektiven Lasersintern wird die Oberfläche der Partikel so weit geschmolzen, dass die Partikel nach Erstarren der geschmolzenen Oberflächen miteinander verkleben. Nach dem Fertigen einer Schicht wird der Kolben vertikal nach unten geführt und eine weitere Schicht aufgetragen. Die Hohlschaufel wird somit schichtweise aufgebaut. Durch das generative Fertigungsverfahren lassen sich vorteilhaft beliebig komplexe Geometrien der Hohlschaufel herstellen. Insbesondere die Verdickungen und die Stützstrukturen lassen sich so vorteilhaft einfach herstellen. Auch ist es mit dem generativen Fertigungsverfahren vorteilhaft einfach möglich, die Hohlschaufel zusammen mit der Stützstruktur einstückig und in einem Schritt zu fertigen.
Denkbar ist, dass die Hohlschaufel sowohl durch selektives Laserschmelzen als auch durch selektives Lasersintern hergestellte Bereiche aufweist. Die Außenseiten der Hohlschaufel könnten durch selektives Laserschmelzen hergestellt werden, so dass die Außenseiten massiv ausgebildet werden. Die Innenseiten könnten durch selektives Lasersintern hergestellt werden, so dass eine poröse Struktur mit einer gewissen Gaspermeabilität ausgebildet wird. Diese Hohlschaufel wäre dann von innen vorteilhaft effektiv mit Kühlluft kühlbar. Des Weiteren könnte dadurch die Masse der Hohlschaufel vorteilhaft weiter vermindert werden.
Die erfindungsgemäße Laufschaufel ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Figur 1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel, wobei mehrere Schaufelquerschnitte des Schaufelblatts der Laufschaufel dargestellt sind,
Figur 2: ein Diagramm mit zwei bevorzugten Ausführungsformen an Wandstärkenverläufen der Laufschaufel und
Figuren 3 bis 8: bevorzugte Ausführungsformen der der Laufschaufel.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer als eine Hohlschaufel 1 ausgebildeten Laufschaufel einer Strömungsmaschine. Die Hohlschaufel 1 ist von einem Schaufelblatt 2 und einer Plattform 6 gebildet, die nabenseitig an dem Schaufelblatt 2 angeordnet ist. In Figur 1 ist eine Mehrzahl an Schaufelquerschnitten 22 bis 26 des Schaufelblatts 2 gezeigt, die an verschiedenen radialen Positionen des Schaufelblatts 2 angeordnet sind. Die Hohlschaufel 1 ist von einer Außenwand 6 mit einer Außenfläche 7 gebildet. Die Geometrie der Außenfläche 7 ist entsprechend einer aerodynamischen Profilierung für die Laufschaufel festgelegt. Das Schaufelblatt 2 weist eine Schaufelvorderkante 4 und eine Schaufelhinterkante 5, sowie eine Druckseite 11 und eine Saugseite 12 auf. Die Plattform 9 bildet im Einbauzustand der Hohlschaufel 1 eine Nabenkontur, wobei an dem der Plattform 9 abgewandten und radial außen liegenden Längsende des Schaufelblatts 2 eine Schaufelspitze 3 ausgebildet ist.
Der radial innenseitig, unmittelbar der Plattform 9 benachbart angeordnete, erste Schaufelquerschnitt 22 ist massiv ausgebildet. Der dem ersten Schaufelquerschnitt 22 radial außenseitig benachbart angeordnete, zweite Schaufelquerschnitt 23 weist zwei den Innenhohlraum 8 überbrückende und an der Außenwand 6 befestigte Querstege 15 auf, so dass der Innenhohlraum 8 der Hohlschaufel 1 von den Querstegen 15 dreigeteilt ist. Die beiden Querstege 15 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und der der Schaufelvorderkante 4 benachbarte Quersteg 15 schließt jeweils mit der Druckseite 11 und der Saugseite 12 einen im Wesentlichen rechten Winkel ein. Vom zweiten Schaufelquerschnitt 23 zum dritten Schaufelschnitt 24 und vom dritten Schaufelschnitt 24 zum vierten Schaufelschnitt 25 verringern sich jeweils die Stärken der Außenwand 6 und der Querstege 15, wodurch die Querschnittserstreckung des Innenhohlraums 8 von Schnitt zu Schnitt sich vergrößert. Der radial außenseitig, an der Schaufelspitze 3 angeordnete fünfte Schaufelquerschnitt 26 ist massiv mit einer Mehrzahl an über die Schaufelspitze 3 verteilten Kühlluftlöchern 10 ausgebildet.
In Figur 2 sind in einem Diagramm zwei Ausführungsformen eines Wandstärkenverlaufs 13 gezeigt. Über der Abszisse 21 ist der Radius und über der Ordinate 20 ist die Dicke der Außenwand 6 als der Wandstärkenverlauf 13 aufgetragen. In der ersten Ausführungsform ist der Wandstärkenverlauf 13 stetig fallend mit einem nabenseitigen Maximum ausgebildet. Im Bereich der Nabe nimmt der Wandstärkenverlauf 13 degressiv ab, um anschließend bis zu der Schaufelspitze 3 hin linear abzunehmen. Die zweite Ausführungsform des Wandstärkenverlaufs 13 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass etwa in radialer Mittellage ein lokales Maximum 14 in der Form eines Plateaus ausgebildet ist. Das lokale Maximum 14 ist an derjenigen Stelle des Schaufelblatts 2 vorgesehen, die durch Schaufelschwingungen beim Betrieb der Strömungsmaschine übermäßig belastet ist. Ferner ist die Stärke der Außenwand 6 gemäß dem Wandstärkenverlauf 13 am lokalen Maximum 14 geringer als im Bereich der Nabe, denkbar ist jedoch auch, dass die Stärke der Außenwand 6 am lokalen Maximum 14 größer ist als im Bereich der Nabe.
In Figuren 3 bis 8 sind denkbare Ausführungsformen des vierten Schaufelquerschnitts 25 gezeigt. Prinzipiell sind diese Ausführungsformen auch auf den zweiten und den dritten Schaufelschnitt 23, 24 übertragbar. Die Ausführungsformen gemäß Figuren 3 bis 5 sowie gemäß Figuren 7 und 8 weisen eine Stützstruktur 15, 16, 17, 19 auf. Die Ausführungsformen gemäß Figuren 6 und 7 weisen hingegen nach innen gerichtete Verdickungen 18 der Außenwand 6 auf.
Die Ausführungsform gemäß Figur 3 weist eine Mehrzahl an sich paarweise kreuzenden Stützstegen 16 auf, die die Stützstruktur bilden. Die sich kreuzenden Stützstege 16 erstrecken sich im hinteren Bereich des Schaufelblatts 2 über etwa zwei Drittel der Sehnenlänge. Ferner ist die Stützstruktur gemäß der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform von dem Quersteg 15 gebildet, der den Innenholraum 8 der Hohlschaufel 2 von der Druckseite 11 zur Saugseite 12 hin überbrückt und bei etwa einem Drittel der Sehnenlänge des Schaufelschnitts 25 angeordnet ist.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 3 erstrecken sich die sich kreuzenden Stützstege 16 der Ausführungsform gemäß Figur 4 über die gesamte Sehnenlänge des Schaufelblatts 2. Wie es aus Figur 5 ersichtlich ist, erstreckt sich gemäß dieser Ausführungsform eine Fachwerkstruktur 17 als die Stützstruktur über die gesamte Sehnenlänge des Schaufelblatts 2, die von V-förmig angeordneten Stegen gebildet ist.
Die weitere Ausführungsform gemäß Figur 6 weist Verdickungen 18 sowohl im Bereich der Schaufelvorderkante 4 als auch im Bereich der Schaufelhinterkante 5 auf. Die Ausführungsform gemäß Figur 7 weist je zwei Verdickungen 18 an der Druckseite 11 und der Saugseite 12 auf. Zusätzlich ist der den Innenhohlraum 8 überbrückende Quersteg 15 vorgesehen, der an nicht verdickten Stellen der Außenwand 6 befestigt ist. Alternativ ist es denkbar, dass der Quersteg 15 an den Verdickungen 18 befestigt ist. In der Ausführungsform gemäß Figur 8 ist eine Wabenstruktur 19 als die Stützstruktur gezeigt, die sich über den gesamten Innenhohlraum 8 erstreckt.
Neben den hier vorgestellten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen denkbar, in denen die Querstege 15, die V-förmig angeordneten Stützstege 17, die sich kreuzenden Stützstege 16 und die Wabenstruktur 19 beliebig miteinander kombiniert sind.
Die Ausführungsform der Laufschaufel gemäß Figur 7 ist wie folgt herzustellen: Konstruieren der Laufschaufel als die Hohlschaufel 1, deren Wandstärke radial nach außen gemäß der ersten Ausführungsform des Wandstärkenverlaufs 13 gemäß Figur 2 linear abnimmt und derart dimensioniert ist, dass die Laufschaufel ihrer Gaskraftbelastung und ihrer Fliehkraftbelastung im Betrieb der Strömungsmaschine standhält. Als nächstes sind von durch Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine übermäßig belastete Bereiche der Hohlschaufel 1 zu bestimmen. An diesen Bereichen ist die Hohlschaufel 1 mit Verdickungen 18 zu konstruieren, die sich nach innen der Hohlschaufel 1 erstrecken, so dass die Festigkeit der Hohlschaufel 1 an diesen Bereichen lokal erhöht ist, wodurch die Hohlschaufel 1 den Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine standhält. Ferner ist die Hohlschaufel 1 in ihrem Inneren mit einer Stützstruktur zu konstruieren, die von dem Quersteg 15 gebildet ist, der im vorderen Drittel der Sehnenlänge der Hohlschaufel 1 dessen Druckseite 11 zur Saugseite 12 hin überbrückt. Die Stärke des Querstegs 15 nimmt radial nach außen ab. Schließlich ist die Laufschaufel durch selektives Lasersintern einstückig herzustellen.
Das Herstellungsverfahren für die Ausführungsform der Laufschaufel gemäß Figur 7 ist prinzipiell auch für alle anderen beschriebenen Ausführungsformen anwendbar.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel für eine Strömungsmaschine mit den Schritten:
- Konstruieren der Laufschaufel als eine Hohlschaufel (1), deren Wandstärke radial nach außen abnimmt und derart dimensioniert ist, dass die Laufschaufel ihrer Gaskraftbelastung und ihrer Fliehkraftbelastung im Betrieb der Strömungsmaschine standhält;

- Ermitteln von mindestens einem durch Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine übermäßig belasteten Bereich der Hohlschaufel (1);

- Verdicken (18) der Hohlschaufel (1) nach innen an dem Bereich und/oder Versehen einer Stützstruktur (15 bis 17, 19) im Inneren der Hohlschaufel an dem Bereich, so dass die Festigkeit der Hohlschaufel (1) an diesem Bereich lokal erhöht ist, wodurch die Hohlschaufel (1) den Schaufelschwingungen im Betrieb der Strömungsmaschine standhält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, mit dem Schritt:
- Fertigstellen der Laufschaufel durch ein generatives Fertigungsverfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei die Stärke der Stützstruktur radial nach außen abnimmt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Hohlschaufel (1) zusammen mit der Stützstruktur (15 bis 17, 19) einstückig ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Stützstruktur mindestens einen von der Druckseite (11) zur Saugseite (12) der Hohlschaufel (1) sich erstreckenden Quersteg (15) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5,
wobei die Stützstruktur mindestens zwei sich paarweise kreuzende Stützstege (16) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Stützstruktur eine Fachwerkstruktur (17) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Stützstruktur eine Wabenstruktur (19) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei an der Schaufelspitze (3) der Hohlschaufel (1) Kühlluftlöcher (10) angeordnet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Hohlschaufel (1) im nabennahen Bereich massiv ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die Wandstärke nach radial außen linear abnimmt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
wobei die Wandstärke im nabennahen Bereich degressiv abnimmt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 12,
wobei das generative Fertigungsverfahren selektives Laserschmelzen und/oder selektives Lasersintern ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13,
wobei die Laufschaufel eine Verdichterlaufschaufel oder eine Turbinenlaufschaufel insbesondere einer Gasturbine, eine Dampfturbinenlaufschaufel, eine Schaufel einer Wasserturbine oder ein Rotorblatt einer Windturbine ist.
Laufschaufel, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.