Die in Gasturbinentriebwerken eingesetzten Rekuperativ-Abgaswärmetauscher umfassen bekanntlich neben einem Wärmetauschergehäuse im Wesentlichen ein Verteilerrohr zur Zuführung der von einem Verdichter geförderten"kalten"Luft in eine vom heißen Turbinen- abgas umströmte so genannte Kreuz-Gegenstrom-Matrix und ein Sammelrohr zur Abführung der nun aufgeheizten"heißen"Verdichterluft zu einem geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks. Nachfolgend werden das Verteiler-als auch das Sammelrohr vereinfachend auch als Wärmetauscherrohr bezeichnet.

Die Zuführung der Luft vom Verteilerrohr in die Kreuz-Gegenstrom-Matrix bzw. die Abfüh- rung der Luft von der Kreuz-Gegenstrom-Matrix in das Sammelrohr erfolgt über eine Vielzahl von in die Mantelfläche der Wärmetauscherrohre eingebrachten Öffnungen.

Die Kreuz-Gegenstrom-Matrix umfasst ihrerseits eine Vielzahl von zu einem Rohrbündel zu- sammengefassten eilipsenförmigen Lanzetten oder Röhrchen. Das Rohrbündel ist an den parallel angeordneten Wärmetauscherrohren seitlich, u-förmig auskragend angeordnet, wo- bei die Enden eines jeden Röhrchens des Rohrbündels jeweils mit einem in die Mantelfläche der Wärmetauscherrohre eingebrachten Öffnung korrespondieren. Um den gewünschten Durchsatz erzielen zu können, sind eine Vielzahl von Lanzetten und somit eine Vielzahl von Öffnungen/Löcher in der Mantelfläche der Wärmetauscherrohre-erforderlich.

Die aus einem hochwarmfesten Werkstoff bestehenden Wärmetauscherrohre sind bisher aus geschmiedeten Halbrohren zusammengesetzt. Das Zusammenfügen zweier Halbrohre zu einem Wärmetauscherrohr erfolgt durch Schweißen, das Anbringen der Lanzetten an die Wärmetauscherrohre erfolgt mittels Hochtemperaturlöten.

Nach einer typischen Ausführungsform eines die Maße 500mm Länge, 62,5mm Halbdurch- messer aufweisenden Halbrohrs sind an 19 Umfangspositionen Lochreihen mit jeweils 184 Öffnungen vorgesehen, so dass sich pro Halbrohr insgesamt 3.496 Öffnungen in der Man- telfläche ergeben. Für die Herstellung der Wärmetauscherrohre eines Rekuperativ- Abgaswärmetauschers aus Halbrohren sind somit 4 x 3.496 = 13.984 Löcher/Öffnungen in der Mantelfläche der Halbrohre erforderlich.

Das Einbringen einer solchen Vielzahl von Öffnungen in die Mantelfläche der geschmiedeten Halbrohre erweist sich als äußerst kosten-und zeitintensiv.

So erfolgt bisher das Einbringen der Öffnungen in die Mantelfläche der Halbrohre mittels Funkenerosion (EDM = Electro-Discharge-Machining). EDM ist ein bekanntes Verfahren zum Erzeugen von Löchern oder anderen Öffnungen in Metallen. Das Verfahrensprinzip, nämlich das thermische Abtragen kleiner Volumina durch die hohe Leistungsdichte eines lokal im flüssigen Dielektrikum durchbrechenden Lichtbogens auf der Anode (Werkstück), bedingt ein Aufschmelzen des Werkstoffs in mikroskopischen Dimensionen.

Neben den hohen Kosten hat das EDM-Verfahren einen weiteren Nachteil. Aufgrund der verfahrensbedingten Vorgehensweise beim Einbringen der Öffnungen in die Mantelfläche der Wärmetauscherrohre ergeben sich im Bereich der Lochwände auf den Werkstücken wiedererstarrte Schichten, die sogenannte Recast-Layer. Diese sind vor dem nachfolgend durchzuführenden Hochtemperaturföten für das Einlöten der Lanzetten in die Halbrohre zu beseitigen, was sich als nachteilig und schwierig erweist. Die für das Hochtemperaturlöten geforderten engen Lötspalte und geringen Toleranzen (+/-0,05mm) sind bei vorhandener Recast-Layer aus Wirtschaftlichkeitsgründen (langsame feine Bearbeitungsstufe erforder- lich) häufig nicht zu erreichen.

Elektrochemisches Bearbeiten (ECM = electrochemical machining) ist eine andere Option zum Erzeugen der Öffnungen in der Mantelfläche der Halbrohre. Dieses Verfahren erfordert jedoch hohe Kosten für Aufbau und Werkzeug und hat kapitalintensive Ausrüstungskosten.

Außerdem ist das Elektrolyt bei diesem Verfahren typischerweise ein Oxidationsmittel, bei- spielsweise Natriumnitrat oder Natriumchlorat, ein Gesundheits-und Sicherheitsrisiko, und die Nebenprodukte des Verfahrens sind als gefährlicher Abfall klassifiziert.

Zusammenfassend bedeutet dies, dass das Einbringen der Öffnungen in die Mantelfläche der geschmiedeten Halbrohre technologisch, terminlich und kostenmäßig einen risikorei- chen Pfad in der Herstellung des gesamten Rekuperativ-Abgaswärmetauschers darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe durch ein Verfahren zur Herstellung von solchen Halbrohren oder Rohren mit einer Vielzahl von deren Mantelfläche durchdringenden Öffnun- gen aus einem metallischen, hochwarmfesten Werkstoff zu schaffen, das ohne die Nachteile der bisher angewendeten Verfahren ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Halbrohre oder Rohre unter Anwendung eines Feingussverfahrens als hochpräzise Feingussteile hergestellt werden.

Ein solches Feingussverfahren hat den Vorteil, dass es hohe Reproduzierbarkeit mit gleich- bleibend hoher Qualität mit geringen Herstellungskosten vereinbart.

Um Reaktionen der Schmelze mit umgebenden Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Was- serstoff zu vermeiden erfolgt zumindest das Abgießen der Schmelze in die Formschale ohne reaktive Gase, insbesondere unter Vakuum, Inertgas-Atmosphäre oder ähnliches.

Damit auch enge Querschnitte und feine Konturen sauber"auslaufen"erfolgt das Abgießen der Schmelze in heiße Formschalen unter Anwendung von Vakuum oder Inertgas- Überdruck.

Vorzugsweise wird als hochwarmfester Werkstoff für das Feinvergussverfahren eine Nickel- Basis-Legierung, insbesondere IN 625, verwendet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der nach dem Verfahren hergestellten Halbroh- re oder Rohre sind die die Mantelfläche durchdringenden Öffnungen ellipsenförmig ausge- bildet. Der Halbdurchmesser der Halbrohre/Rohre ist 62,5 oder 37,5 mm, die Länge der Halbrohre beträgt 500 mm oder 750-900 mm.

Die erfindungsgemäße Anwendung eines an sich bekannten Feingussverfahren zur Herstel- lung von Wärmetauscherrohren aus Halbrohren oder Rohren ermöglicht erstmals eine kos- tengünstige, schnelle und qualitativ hochwertige Herstellung solcher Rohrkompbnenten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder schema- tisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Es zeigen : Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Rekuperativ-Abgaswärmetauschers, Fig. 2 eine detaillierte Ansicht eines Wärmetauscherrohrs und Fig. 3 den Aufbau des Wärmetauscherrohrs gemäß Fig. 2 aus Halbrohren.

Ein in Fig. 1 insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter Rekuperativ-Abgaswärme- tauscher eines hier nicht dargestellten Gasturbinentriebwerks umfasst im wesentlichen ein Verteilerrohr 12, ein parallel dazu angeordnetes Sammelrohr 14 sowie eine hierzu seitlich, U-förmig auskragende Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16. Verteilerrohr 12 und Sammelrohr 14 werden im weiteren Verlauf vereinfacht als Wärmetauscherohre bezeichnet.

Aus der in Fig. 1 unten links angeordneten Schnittdarstellung der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 ist zu entnehmen, dass die Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 eine Vielzahl von ellipsenförmi- gen Röhrchen bzw. Lanzetten 18 aufweist. Die Lanzetten 18 sind jeweils am Verteiler-und Sammelrohr 12,14 befestigt. Sie korrespondieren mit den hierfür in die Mantelfläche von Verteiler-und Sammelrohr 12, 1-4-eingebrachten, in-dieser Darstellung nicht sichtbaren, Öffnungen/Löcher 22, vgl. Fig. 2.

Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Rekuperativ-Abgaswärmetauscher ist die folgende : Dem Verteilerrohr 12 wird von einem Verdichter gemäß dem Pfeil D kalte Druckluft zuge- führt. Die kalte Druckluft strömt vom Sammelrohr 12 über die in die Mantelfläche einge- brachten Öffnungen/Locher in die seitlich, u-förmig auskragende Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16. Durch die Umströmung der Kreuz-Gegenstrom-Matrix 16 mit dem heißen Turbinenabgas H erfolgt eine Aufheizung der kalten Verdichterluft. Nach Durchströmung der Kreuz- Gegenstrom-Matrix 16 und Zuführung in das Sammelrohr 14 wird die nun aufgeheizte Luft gemäß dem Pfeil D'einem geeignetem Verbraucher, z. B. der Brennkammer zugeführt.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung eine Detailansicht eines belochten Wärmetauscher- rohrs 12/14 des Rekuperativ-Abgaswärmetauschers 10. Das Wärmetauscherrohr 12/14 weist eine Vielzahl von dessen Mantelfläche 20 durchdringende Öffnungen 22 auf. Die Öff- nungen 22 sind ellipsenförmig ausgebildet. Von dieser Vielzahl von Öffnungen 22 in der Mantelfläche 20 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nur einige der die Mantelfläche 20 des Wärmetauscherohrs 12/14 durchdringende Öffnungen 22 dargestellt. Der Vollstän- digkeit halber sei darauf hingewiesen, dass pro Halbrohr mit den Abmaßen 500 mm Länge, 62,5 mm Halbdurchmesser an 19 Umfangspositionen 184 Lochreihen, also 3.496 Öffnun- gen 22, vorgesehen sind. Somit ergeben sich pro Wärmetauscherrohr 12/14 insgesamt 2 x 3.496 = 6.992 die Mantelfläche 20 durchdringende Öffnungen 22.

Das Wärmetauscherrohr 12/14 ist, wie Fig. 3 zeigt, in diesem Beispiel aus einem ersten Halbrohr 24 und einem zweiten Halbrohr 26 zusammengesetzt. Das Zusammenfügen der beiden Halbrohre 24,26 erfolgt durch Schmelzschweißen, das Anbringen der Lanzetten erfolgt in bekannter Weise mittels Hochtemperaturlöten.

Die Herstellung der Halbrohre 24,26 mittels eines an sich bekannten Feingussverfahrens wird nunmehr im einzelnen beschrieben, wobei die Verfahrensschritte-mit Ausnahme des Zusammensetzens der Halbrohre-in gleicher Weise auch für die Herstellung eines Rohres, d. h. eines Vollrohres, gelten.

In einem ersten Verfahrensschritt wird hierzu zunächst ein durch Hitze zerstörbares fein- strukturiertes, maßgenaues Modell der Halbrohre 24,26 einschließlich der die Mantelfläche 20 durchdringenden Öffnungen 22 hergestellt. Als Modellwerkstoff wird hierzu Wachs ver- wendet.

Das Wachsmodell inklusive Angusssystem aus Wachs erhält durch Eintauchen in kerami- sche Überzugsmassen und durch anschließendes Besanden mit Gussschalenkeramik eine Formschale. Um die Stabilität des Formschale zu gewährleisten wird der automatisierte Prozess des Eintauchens und anschließenden Besanden mehrmals wiederholt.

Nach dem Ausschmelzen des Modells, vorzugsweise im Autoklaven mit Heißdampf, werden die so entstandenen, einteiligen Formschalen gebrannt, wodurch diese ihre Feuerfestigkeit erhalten. Anschließend erfolgt das Gießen der Schmelze in heiße Formschalen unter An- wendung von Vakuum oder Überdruck mit Inertgas.

Damit wird sichergestellt, dass auch die engen Querschnitte zwischen zwei Öffnungen 22 in der Mantelfläche 20 eines Halbrohrs 24,26 sauber"auslaufen". Das Erschmelzen und Gie- ßen des Halbrohrwerkstoffes erfolgt unter Hochvakuum. Als Werkstoff wird eine Nickel- Basislegierung mit der Normbezeichnung IN 625 (INCONEL) verwendet.

Die gegossenen Halbrohre 24,26 sind anschließend zu putzen, wobei auch die Angüsse zu entfernen sind. Für die Fertigstellung der Halbrohre 24,26 ist ggf. in einem letzten Arbeits- schritt noch eine Nachbearbeitung der die Mantelfläche 20 durchdringenden Öffnungen 22 durch Strahlen mit erosiven Strahlmitteln oder durch eine"Schlichtoperation"mittels EDM (EDM=Electro-Discharge-Machining) notwendig. Aufgrund der hohen Güte und knappen Toleranzen des angewendeten Feingussverfahrens ist hierfür nur eine geringe Bearbeitungs- zeit notwendig. Die bisher beim Erzeugen der Öffnungen durch EDM entstehenden Recast- Layer können stark minimiert werden und daher unberücksichtigt bleiben, da diese infolge der geringen Bearbeitungsdauer vernachlässigbar dünn/klein sind.

Das Zusammensetzen zweier solcher Halbrohre 24, 26 zu einem Wärmetauscherrohr 12/14- erfolgt über ein ebenfalls bekanntes Schmeizschweißverfahren. Die Einbringung der Lanzet- ten aus IN 625 in die ellipsenförmigen Durchbrüche erfolgt nach möglichst automatischer Montage und Belotung mit Lotpaste durch Vaküum-Hochtemperaturlöten.