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Dokumentenidentifikation DE60026934T2 14.12.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001057565
Titel Verfahren zur Verminderung der Wandstärke nach dem Giessen einen Turbinenschaufels mittels Funkenerosionsbearbeitung
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Jones, Raymond Joseph, Duanesburg, New York 12056, US;
Schotsch, Margaret Jones, Greer South Carolina, US;
Bojappa, Parvagada Ganapathy, Simpsonville SC 29681, US;
Rajan, Rajiv, Guilderland, New York 12084, US;
Kirkpatrick, Francis Lawrence, Galway, New York 12074, US;
Wei, Bin, Mechanicville, New York 12118, US
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Aktenzeichen 60026934
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.05.2000
EP-Aktenzeichen 003041522
EP-Offenlegungsdatum 06.12.2000
EP date of grant 29.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2006
IPC-Hauptklasse B23H 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01D 9/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B23H 9/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer dünnwandigen Düse bzw. Turbinenschaufel für eine Gasturbine und insbesondere auf ein Verfahren der Anwendung einer Funkenerosionsbearbeitungs- bzw. Electrodischarge Machining(EDM)-Vorrichtung zur Verringerung der Dicke von Turbinenschaufelwänden bei einer Verarbeitung nach dem Gießen unter Verwendung einer EDM-Vorrichtung zum Entfernen von Material von einer inneren Wand eines Hohlraums, der sich innerhalb einer Turbinenschaufel und zwischen gegenüberliegenden Enden derselben erstreckt, um die thermischen Beanspruchungen zu reduzieren und die Gießergebnisse zu verbessern.

In Gasturbinenkonstruktionen bilden axial beabstandete, ringförmige Reihen von Düsen bzw. Schaufeln die Düsenstufen der Turbine, und jede Reihe besteht aus Düsensegmenten, die in Umfangsrichtung um die Achse des Turbinenrotors herum angeordnet sind. Jedes Düsensegment enthält eine oder mehrere Leitschaufeln und Innen- und Außenbandabschnitte, die vorzugsweise einstückig aus einem Gussmaterial, z.B. einer nickelbasierten Legierung, gebildet sind. In die Düsenleitschaufel(n) sind zwischen den Bandabschnitten Hohlräume eingegossen, um ein Kühlmittel zum Kühlen der Schaufeln zu leiten. Eine solche Turbinenschaufel und ein Verfahren zur Bildung einer dünnwandigen Schaufel sind aus dem Dokument US 3 504 810 bekannt, das den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Es wird erkannt, dass zwischen dem thermischen Medium, dass in dem Schaufelhohlraum strömt, und den heißen Verbrennungsgasen, die entlang des Heißgaspfades der Turbine strömen, eine Temperaturdifferenz besteht. Diese Temperaturdifferenz verursacht thermische Spannungen in dem Material der Schaufel. Durch eine Verringerung der Wanddicke zwischen der Innenoberfläche des Hohlraums und der Außenoberfläche der Schaufel und insbesondere in der Nähe der Vorderkante der Schaufel können diese thermischen Spannungen, die durch die Temperaturdifferenzen verursacht werden, minimiert werden. Dünnwandige Investment Casting- bzw. Feingussstücke für Düsen sind jedoch schwierig herzustellen. Die Toleranzeinhaltung sowie die Fehlerlosigkeit des Materials werden durch die Wanddicke beeinflusst. Allgemein ist es umso schwieriger, die Schaufel zu gießen, je dünner die Wand ist, was zu verschlechterten Gießergebnissen führt. Dementsprechend ist Bedarf an einem Verfahren zur Verringerung der Wanddicke von Turbinenschaufeln entstanden, das nicht nur die thermischen Spannungen reduziert, sondern auch die Gießergebnisse verbessert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer dünnwandigen Schaufel für eine Gasturbine nach Anspruch 1 geschaffen. Insbesondere wird ein Funkenerosionsbearbeitungsverfahren nach dem Gießen verwendet, um Material von der Innenwand des Schaufelhohlraums zu entfernen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das EDM-Verfahren eine dünne Elektrode, die innerhalb des Hohlraums der Schaufel angeordnet und entlang der Innenwand des Hohlraums beweglich ist, um Material zu entfernen und dadurch die Wanddicke auf eine erwünschte Dicke zu reduzieren. Durch die Durchführung dieses Bearbeitungsvorgangs im Anschluss an das Gießen der Düse werden die Einhaltung der Gusstoleranz und die Fehlerlosigkeit des Materials wesentlich verbessert, was zu verbesserten Gießergebnissen führt, während gleichzeitig durch die sich ergebende, verringerte Wanddicke die gewünschte Verringerung thermischer Spannungen erreicht wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch ein EDM-Verfahren, das eine Elektrode in der Form eines Profils benutzt, und ein Einstechverfahren verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird ein Profil, das eine Oberfläche in Übereinstimmung mit der endgültigen Kontur der Innenwandoberfläche des Hohlraums aufweist, an die innere Wand des Hohlraums angelegt. Wenn das Profil gegen die innere Hohlraumwand vorwärts bewegt wird, wird Material entfernt, so dass die Oberfläche des Profils und die Innenwandoberfläche im Wesentlichen komplementär werden. Die Vorwärtsbewegung des Profils wird fortgesetzt, bis die gewünschte Wanddicke erreicht worden ist.

In beiden bevorzugten Ausführungsformen kann auch eine aufgeraute Innenwandoberfläche gebildet werden. Zum Beispiel können auf der Elektrodenoberfläche Vorsprünge ausgebildet werden, um eine aufgeraute dünne Elektrode zu schaffen, die verwendet werden kann, wodurch die Bewegung der aufgerauten Elektrode entlang der Innenwand des Hohlraums eine endgültige Innenwandoberfläche mit einer komplementären aufgerauten Oberfläche bildet. Das Profil kann in ähnlicher Weise eine aufgeraute Oberfläche aufweisen, so dass die Endkontur der Innenwandoberfläche des Hohlraums in ähnlicher Weise wie die aufgeraute Oberfläche des Profils komplementär aufgeraut sein wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer dünnwandigen Düsenschaufel für eine Gasturbine geschaffen, wobei die Schaufel einen Hohlraum aufweist, der sich zwischen dem radial inneren und dem äußeren, gegenüberliegenden Ende der Schaufel öffnet, wobei das Verfahren die Schritte des Gießens der Düse, die den Hohlraum enthält, und des Entfernens von Gussmaterial entlang einer Innenwand des Hohlraums nach dem Gießen unter Verwendung einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung enthält, die eine Elektrode aufweist, um eine endgültige Innenwandoberfläche zu bilden, wodurch die Dicke der Wand zwischen einer Außenoberfläche der Schaufel und der endgültigen Innenwandoberfläche des Hohlraums verringert wird.

Die Erfindung wird nun im Rahmen von Beispielen unter Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Düsensegmentes, das eine Elektrode einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung in einer Stellung zur Entfernung von Material aus dem inneren Hohlraum einer Düsenleitschaufel des Segmentes darstellt,

2 zeigt eine bruchstückhafte, schematische Darstellung des Vorderkantenhohlraums der Leitschaufel, wobei die Darstellung die Innenwand des Hohlraums vor und nach dem Bearbeitungsvorgang jeweils durch die Lage der gestrichelten bzw. der durchgezogenen Linie darstellt,

3 zeigt eine bruchstückhafte Draufsicht, die das Außenband des Segmentes und das Innere des Vorderkantenhohlraums der Leitschaufel mit Bezugspunkten darstellt, die das zu entfernende Material kennzeichnen,

4 zeigt eine vergrößerte bruchstückhafte Querschnittsansicht, die eine Elektrode eines EDM-Gerätes zur Erzeugung aufgerauter Oberflächen entlang der inneren Wand des Hohlraums darstellt,

5 zeigt eine der 1 ähnliche Ansicht, die ein EDM-Verfahren unter Verwendung einer Elektrode in Form eines Profils zum Einstechen bzw. Plunge Cutting in der inneren Hohlraumwand darstellt, und die

6A und 6B sind Darstellungen eines Einstechbearbeitungsvorgangs unter Verwendung des Profils vor bzw. nach dem Bearbeitungsvorgang.

Mit Bezug auf 1: Es ist ein allgemein mit 10 bezeichnetes Düsensegment dargestellt, das einen Innen- und einen Außenbandabschnitt 12 und 14 aufweist, die den gegenüberliegenden Enden einer einzelnen Düsenleitschaufel 16 benachbart sind. Es wird erkannt, dass das dargestellte Düsensegment eines aus einer Vielzahl von Düsensegmenten ist, die in einer Umfangsrichtung verlaufenden Reihe aus denselben um eine Rotorachse herum angeordnet sind, um mit den Innen- und Außenbandabschnitten 12 und 14, die Abschnitte des Innen- und Außenbandes der Düsenstufe bilden, eine Düsenstufe einer Turbine zu bilden. Während zwischen dem Innen- und dem Außenbandabschnitt 12 und 14 eine Einzelleitschaufel 16 dargestellt ist, wird erkannt, dass zwischen den Bandabschnitten auch zwei oder mehr Leitschaufeln angeordnet sein können, um z.B. eine Doppel- oder Dreifachleitschaufel zu bilden. Die Düsenleitschaufel 16 sowie der Innen- und der Außenbandabschnitt 12 und 14 weisen wie dargestellt innere Hohlräume auf, die sich entlang der Länge der Leitschaufel erstrecken. Wie in 1 dargestellt, ist z.B. ein Vorderkantenhohlraum 18 vor mittleren Hohlräumen 20, 22, 24 und einem Hinterkantenhohlraum 26 dargestellt. Obwohl es keinen Teil dieser Erfindung bildet, wird erkannt, dass die Hohlräume Durchgänge zur Leitung eines thermischen Mediums zum Kühlen des Innen- und des Außenbandes und der Leitschaufeln schaffen, die den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, die entlang des Heißgaspfades durch die Turbine strömen. Es können z.B. Luft oder Dampf oder sowohl Luft als auch Dampf durch die jeweiligen Hohlräume geleitet werden, um die Bänder und Schaufeln zu kühlen.

Die Düsensegmente 10 sind aus einem Gussmaterial, vorzugsweise einer Nickellegierung, gebildet. Es wird erkannt, dass die thermischen Beanspruchungen in den Düsen durch eine Verringerung der Dicke der Wand, die den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und ein Strömen des Kühlmediums durch Hohlräume minimiert werden können, und dies trifft insbesondere im Hinblick auf die Wand um die Vorderkante der Leitschaufel herum zu. Es wird erkannt, dass die Einhaltung von Toleranzen und der Wanddicke zunehmend schwieriger wird, wenn die Wanddicke der Gussstücke verringert wird, was zu reduzierten Gießergebnissen führt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können verbesserte Gießergebnisse sowie eine verringerte Wanddicke insbesondere zwischen der Außenoberfläche der Vorderkante und der Innenwandoberfläche des Vorderkantenhohlraums durch eine Entfernung von Material von der Innenoberfläche der Hohlraumwand durch ein Funkenerosionsbearbeitungsverfahren nach dem Gießen erreicht werden.

Unter Bezug auf die 1 und 2: Insbesondere wird in einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung eine Elektrode 28 (1), z.B. eine dünne Stange, die einen Teil einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung bildet, in einen Hohlraum der Leitschaufel 16 zwischen ihren einander gegenüberliegenden Enden, z.B. durch den Innen- und den Außenbandabschnitt 12 und 14 und den Vorderkantenhohlraum 18, hineingeführt. Die Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung ist für sich betrachtet konventionell. In der vorliegenden Anwendung eines solchen Gerätes wird erkannt, dass die dünne Elektrode 28 an den gegenüberliegenden Enden befestigt ist und vorzugsweise automatisch bzw. maschinell bewegt wird, um einem vorbestimmten Pfad entlang der Wand 31 des Gussstückhohlraums, z.B. des Hohlraums 18, zu folgen. Wie in 2 dargestellt ist die Wand 31 gegossen und weist an der Vorderkante der Leitschaufel 16 zwischen ihrer gegossenen Innenwandoberfläche 30 und der Außenwandoberfläche 33 eine erhebliche Dicke auf. Die gegossene Wanddicke ist durch den Abstand zwischen der Außenwandoberfläche 33 und der gestrichelten Linie 30 in 2 gekennzeichnet.

Um die Dicke dieser Wand zu verringern, wird die dünne Elektrode 28 durch den Hohlraum 18 hindurchgeführt und zum Überstreichen einer Oberfläche bewegt, die der gewünschten Innenwandoberfläche entspricht, wie sie in 2 durch die durchgezogene Linie 32 gekennzeichnet ist, wodurch die gewünschte Wanddicke ausgebildet wird. Wenn die dünne Elektrode 28 entlang des gewünschten Pfades verschoben wird, wird das Material der Innenwand des Hohlraums abgeschnitten und kann als ein einziges Stück, wie z.B. das in 1 dargestellte abgenommene Materialstück 34, entfernt werden. Demnach wird erkannt, dass die dünne Elektrode 28 einen Pfad beschreibt, der der gewünschten Innenwandoberfläche 32 entspricht, wodurch an der Wand 31 des Hohlraums 18 mit dem Ergebnis entlang geschnitten wird, dass die gewünschte dünnwandige Anordnung nach dem Gießen gebildet wird.

Unter Bezug auf 3: Der Bewegungspfad der Elektrode 28 entlang der Wand 31 ist durch die Bezugspunkte 36 und 38 in 3 jeweils an dem oberen und unteren Ende der Leitschaufeln oder der außerhalb der Leitschaufeln gekennzeichnet. Durch ein sequentielles Führen der Elektrode durch die Bezugspunkte 36 und 38 kann die gewünschte zusammengesetzte, gekrümmte Oberfläche entlang der Innenwand des Hohlraums gebildet werden. Es wird erkannt, dass sich die Elektrode 28 geradlinig erstreckt und ihre geradlinige Ausdehnung beibehält, wenn sie entlang der Hohlraumwand verschoben wird.

Es ist bekannt, dass die Wärmeübertragungseigenschaften durch die Verwendung aufgerauter Grenzflächen, z.B. zwischen einem Kühlmittel und einer zu kühlenden Oberfläche, verbessert werden können. Daher ist es wünschenswert, die sich ergebende Innenwandoberfläche 32 des Hohlraums aufzurauen, wenn die Wanddicke verringert wird. Um dies zu erreichen, kann die dünne Elektrode 28 eine aufgeraute Oberfläche 40 aufweisen, wie es in 4 dargestellt ist. Wenn die dünne Elektrode entlang des vorbestimmten Pfades verschoben wird, wird die innere Wandoberfläche komplementär zu der aufgerauten Oberfläche der Drahtelektrode zum Zwecke einer verbesserten thermischen Wirksamkeit aufgeraut.

Unter Bezug auf die 5, 6A und 6B wird ein EDM-Einstechverfahren verwendet. Insbesondere wird anstelle einer dünnen Elektrode eine Elektrode in der Form eines Profils verwendet. Wie in 5 dargestellt bildet das Profil 42 die Elektrode des EDM-Gerätes und erstreckt sich in ähnlicher Weise wie die dünne Elektrode 28 durch den Hohlraum 18 hindurch. Das Profil 42 weist eine Vorderfläche 44 auf, die der gewünschten endgültigen Innenwandoberfläche nach Abschluss des EDM-Vorgangs entspricht. Demnach wird durch Einsetzen des Profils 42 in den Hohlraum 18 die Vorderfläche 44 des Profils 42 an die vorhandene gegossene Innenwandoberfläche 46 des Hohlraums 18 angelegt bzw. gegen diese gedrückt, wie es in 6A dargestellt ist. Durch eine Vorwärtsbewegung des Profils 42 zu der gewünschten inneren Wandoberflächenkonfiguration 48 hin kann die endgültige Wandoberfläche 48 gebildet werden. Das heißt, dass das Material durch ein Vorrücken des Profils 42 in Anlage an der gegossenen Innenwandoberfläche 46, wie es durch den Pfeil in 6B dargestellt ist, und durch ein weiteres Vorwärtsbewegen des Profils 42 weggeschnitten wird, bis die Vorderfläche 44 des Profils 42 und die Innenwandoberfläche 48 zueinander komplementär sind und sich an dem geeigneten Ort innerhalb des Hohlraums befinden, der die gewünschte Wanddicke aufweist. Es wird auch erkannt, dass das Profil 42 in ähnlicher Weise wie die dünne Elektrode eine aufgeraute Oberfläche 50 (5) aufweisen kann, so dass die Endinnenwandoberfläche 48 des Hohlraums zum Zwecke einer verbesserten Wärmeübertragung eine aufgeraute Oberfläche aufweisen kann, die zu der aufgerauten Oberfläche des Profils komplementär ist.

Als eine Folge der offenbarten Verfahren werden die Gießergebnisse wesentlich verbessert. Gleichzeitig kann die Wanddicke auf enge Toleranzen bemessen werden, um die thermischen Spannungen zu reduzieren sowie die Wärmeübertragung zu verbessern.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Turbinenschaufel für eine Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel (10) einen sich zwischen radial inneren und äußeren gegenüberliegenden Enden der Turbinenschaufel öffnenden Hohlraum (18) aufweist, mit dem Schritt:

Gießen der den Hohlraum enthaltenden Turbinenschaufel;

gekennzeichnet durch:

Entfernen von gegossenem Material (34) entlang einer Innenwand des Hohlraums nach dem Gießvorgang unter Verwendung einer eine Elektrode (28, 42) enthaltenden Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung, um eine Endinnenwandoberfläche auszubilden, um dadurch die Dicke der Wand zwischen einer Außenoberfläche der Turbinenschaufel und der Endinnenwandoberfläche des Hohlraums zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, das die Anwendung eines Funkenerosionsbearbeitungsprozesses mit einer dünnen Elektrode (28) zum Entfernen des gegossenen Materials beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 1, das die Führung der dünnen Elektrode entlang der Innenwand des Hohlraums beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Hohlraum (18) angrenzend an eine Vorderkante der Turbinenschaufel liegt und das gegossene Material entlang einer der Vorderkante gegenüberliegenden Innenwand des Hohlraums entfernt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die in dem Funkenerosionsbearbeitungsprozess verwendete Elektrode eine aufgeraute Oberfläche (40) aufweist und die Elektrode an die Innenwand angelegt wird, um eine im Allgemeinen komplementäre aufgeraute Innenwandoberfläche in dem Hohlraum zu erzeugen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das die Verwendung einer Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung mit einer Elektrode zum Entfernen von gegossenem Material, wobei die Elektrode eine aufgeraute Oberfläche aufweist, und das Anlegen der Elektrode an die Innenwand beinhaltet, um in dem Hohlraum eine im Wesentlichen komplementäre aufgeraute Innenwandoberfläche zu erzeugen. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung ein Profil (42) enthält, und wobei es die Erzeugung einer Oberfläche (44) des Profils in Übereinstimmung mit einer Endkontur der Innenwandoberfläche des Hohlraums und das Anlegen des Profils an die Innenwand des Hohlraums beinhaltet, um das gegossene Material zu entfernen, bis die Oberfläche des Profils und die Innenwandoberfläche zueinander im Wesentlichen komplementär sind. Verfahren nach Anspruch 1, das die Erzeugung einer aufgerauten Oberfläche (50) auf der Profiloberfläche und die Erzeugung einer komplementären aufgerauten Innenwandoberfläche des Hohlraums nach dem Anlegen des Profils an die Innenwand beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in dem Funkenerosionsbearbeitungsprozess verwendete Elektrode eine dünne Elektrode (28) mit einer aufgerauten Oberfläche (40) ist und der Hohlraum an die Vorderkante der Turbinenschaufel angrenzend liegt, wobei es den Schritt der Führung der aufgerauten dünnen Oberfläche entlang der Innenwand des Hohlraums gegenüber der Vorderkante enthält, um eine im Allgemeinen komplementäre aufgeraute Innenwandoberfläche in den Hohlraum zu erzeugen. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funkenerosionsbearbeitungsvorrichtung ein Profil (42) enthält und das Verfahren die Schritte der Erzeugung einer Oberfläche des Profils in Übereinstimmung mit einer Endkontur (48) der Innenwandoberfläche des Hohlraums und des Anlegens des Profils an die Innenwand (46) des Hohlraums (18) enthält, um das gegossene Material zu entfernen, bis die Oberfläche (44) des Profils und die Innenwandoberfläche (48) zueinander im Wesentlichen komplementär sind.






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