KERNSTOCK, Frank (Otto-Geßler-Straße 12, Nürnberg, 90409, DE)
REHME, Olaf (Magdalenenstr. 35, Hamburg, 20148, DE)
SCHÄFER, Martin (Feldzeugmeisterstr. 5, Berlin, 10557, DE)
GÖHLER, Jens (Grubnitzer Str. 29, Stauchitz, 01594, DE)
KERNSTOCK, Frank (Otto-Geßler-Straße 12, Nürnberg, 90409, DE)
REHME, Olaf (Magdalenenstr. 35, Hamburg, 20148, DE)
SCHÄFER, Martin (Feldzeugmeisterstr. 5, Berlin, 10557, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (10), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbinenschaufel durch ein additives Herstellungsverfah¬ ren hergestellt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbinenschaufel schichtweise hergestellt wird, indem eine erste Pulverschicht mittels eines Energiestrah¬ les lokal unter Bildung einer ersten Schaufelschicht ge¬ schmolzen wird und indem darauf Schicht für Schicht weitere Pulverschichten aufgebracht und jeweils lokal geschmolzen und anschließend unter Bildung weiterer Schaufelschichten abgekühlt werden. 3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbinenschaufel durch selektives Laserschmelzen herge¬ stellt wird. 4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Turbinenschaufel eine Laufschaufei , eine statische Leit¬ schaufel oder eine Kompressorschaufel für einen Kompressorab¬ schnitt einer Turbine hergestellt wird. 5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen einer druckseitigen Schaufelwand (30) und einer saugseitigen Schaufelwand (20) ein Hohlraum (55) gebildet wird, der zumindest abschnittsweise mit einer Gitterstruktur (60) gefüllt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gitterstruktur topologisch optimiert ist und beispiels- weise eine lokal unterschiedliche Strukturierung und/oder lo¬ kal unterschiedliche Stabdurchmesser aufweist. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die saugseitige Schaufelwand und die druckseitige Schaufel¬ wand durch die Gitterstruktur miteinander verbunden werden. 8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Turbinenschaufel durch das additive Herstellungsver¬ fahren zumindest ein Loch (200), beispielsweise in Form eines Entwässerungsschlitzes oder einer Beheizungsöffnung, in mindestens einer Schaufelwand hergestellt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Loch zumindest teilweise mit einer Gitterstruktur verse¬ hen wird. 10. Turbinenschaufel (10), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen den Schaufelwänden der Turbinenschaufel ein Hohlraum (55) vorhanden ist, der zumindest abschnittsweise mit einer Gitterstruktur (60) gefüllt ist. 11. Turbinenschaufel nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbinenschaufel eine Laufschaufei , eine statische Leitschaufel oder eine Kompressorschaufel ist und die saugseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel und die druckseitige Schaufelwand der Turbinenschaufel durch die Gitterstruktur miteinander verbunden sind. 12. Turbine, insbesondere Gasturbine oder Dampfturbine, mit zumindest einer Turbinenschaufel nach einem der voranstehenden Ansprüche 10 oder 11. 13. Turbine nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbinenschaufel eine Laufschaufei , eine statische Leit¬ schaufel oder eine Kompressorschaufel der Turbine bildet. |
Turbinenschaufel und Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 10 2006 030 365 B3 bekannt. Bei diesem vor- bekannten Verfahren wird eine Turbinenschaufel durch ein Me ¬ tallgussverfahren hergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel anzugeben, das die Herstel- lung besonders leichter, aber dennoch stabiler Turbinenschaufeln ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbinenschaufel durch ein additives Herstellungsverfahren herge- stellt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dieses sehr viele Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Turbinenschaufel ermöglicht. Beispielsweise kann - im Unterschied zu dem eingangs beschriebenen Metall ¬ gussverfahren - mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in sehr einfacher Weise eine Turbinenschaufel hergestellt werden, die Hohlräume und/oder Gitterstrukturen oder dergleichen aufweist. Derart komplizierte Schaufelgestaltungen lassen sich mit einem Metallgussverfahren nicht, zumindest nicht ohne weiteres, realisieren.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ver- fahrens ist darin zu sehen, dass mit diesem alle Merkmale der Turbinenschaufel, zumindest alle wesentlichen Merkmale der Turbinenschaufel, mit ein und demselben Verfahren, also mit anderen Worten gleichzeitig, hergestellt werden können. Bei ¬ spielsweise erlaubt das additive Herstellungsverfahren die Realisierung von Entwässerungsschlitzen, Beheizungsöffnungen und/oder sonstigen Löchern bzw. Ausnehmungen in der Turbinenschaufel bereits während der Schaufelherstellung, ohne dass hierzu weitere Werkzeuge oder weitere anschließende Verfah ¬ rensschritte nötig wären.
Additive Herstellungsverfahren sind für sich aus anderen Technikgebieten bereits bekannt. Nur beispielhaft sei diesbe ¬ züglich auf die Druckschrift "Wohlers Report 2008" (Terry T. Wohlers, Wohlers Associates Inc., Fort Collins, CO, USA, ISBN 0-9754429-4-5) verwiesen. Dieser Druckschrift lassen sich Beispiele entnehmen, wie additive Herstellungsverfahren im Einzelnen ausgeführt werden können.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich die Turbi- nenschaufel schichtweise herstellen. Vorzugsweise wird eine erste Pulverschicht mittels eines Energiestrahles lokal unter Bildung einer ersten Schaufelschicht geschmolzen; anschließend werden darauf, also auf diese erste Schaufel ¬ schicht, Schicht für Schicht weitere Pulverschichten aufge- bracht, die jeweils unter Bildung weiterer Schaufelschichten lokal geschmolzen werden. In dieser Weise wird die Turbinenschaufel durch eine Vielzahl aufeinander gesetzter Einzelschichten gebildet. Alternativ können anstelle von Pulverschichten auch Flüssigkeitsschichten verwendet werden, die lokal mittels eines Energiestrahles ausgehärtet werden, so dass die Turbinen ¬ schaufel in dieser Weise aus Schichten zusammengesetzt wird.
Besonders bevorzugt wird die Turbinenschaufel in einem metal ¬ lischen Pulverbett mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl hergestellt. Der Laser- oder Elektronenstrahl dient dabei zum selektiven Aufschmelzen der dünnen Pulverschichten, die nach dem Abkühlen die Turbinenschaufel bilden.
Zur Ansteuerung des Energiestrahls werden vorzugsweise CAD- Daten verarbeitet, die die dreidimensionale Turbinenschaufel durch ein Volumenmodell oder ein Oberflächenmodell beschrei- ben. Zur Verarbeitung werden die CAD-Daten vor oder während des additiven Herstellungsprozesses vorzugsweise in Schicht ¬ daten überführt, wobei jede Schicht einem Querschnitt der Turbinenschaufel mit finiter Schichtdicke entspricht. Die Querschnittsgeometrie der Turbinenschaufel wird während des additiven Herstellungsverfahrens vorzugsweise durch eine linienartige Belichtung der äußeren Konturen und einer flächenartigen Belichtung der zu füllenden Querschnitte hergestellt. Die linienartige Belichtung wird im Falle einer punktförmigen Charakteristik des Energiestrahls vorzugsweise durch eine entsprechende Strahlbewegung realisiert. Eine flä ¬ chenartige Belichtung kann beispielsweise durch eine Aneinan ¬ derreihung von linienartigen Belichtungsvorgängen erfolgen. Turbinen, beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, können einer Vielzahl unterschiedlich gearteter Turbinenschaufeln aufweisen. Neben rotierenden Laufschaufeln umfassen Turbinen in vielen Fällen auch nichtrotierende bzw. statische Leit ¬ schaufeln, die ähnlich wie die Laufschaufeln geformt sind und beispielsweise die Form einer Tragfläche aufweisen können. Leitschaufeln dienen primär dazu, die Strömung des Strömungsmediums innerhalb der Turbine gezielt auszurichten. Darüber hinaus können Turbinen Kompressorschaufeln für einen Kompres- sorabschnitt der Turbine umfassen. Aus diesem Grunde wird es als vorteilhaft angesehen, wenn im Rahmen des additiven Herstellungsverfahrens als Turbinenschaufel eine Laufschaufei , eine Leitschaufel oder eine Kompressorschaufel für einen Kom ¬ pressorabschnitt der Turbine hergestellt wird.
Um das Gewicht der Turbinenschaufel zu reduzieren, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zwischen Schaufelwänden der Turbinenschaufel zumindest ein Hohlraum gebildet wird. Um dennoch eine hohe Stabilität der Turbinenschaufel zu gewähr- leisten, wird ein solcher Hohlraum vorzugsweise zumindest ab ¬ schnittsweise mit einer Gitterstruktur gefüllt. Eine solche Gitterstruktur ist vorzugsweise dreidimensional und kann bei ¬ spielsweise filigrane, offen-zelluläre SD-Raumgitterstruktu ¬ ren umfassen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die durch einen Hohlraum getrennten Schaufelwände zumindest abschnitts ¬ weise durch Gitterstrukturen miteinander verbunden werden, um durch die Gitterstrukturen eine Abstützung der Schaufelwände untereinander zu erreichen. Beispielsweise werden die saug- seitige Schaufelwand der Turbinenschaufel und die drucksei ¬ tige Schaufelwand der Turbinenschaufel durch eine entspre ¬ chende Gitterstruktur zumindest abschnittsweise miteinander verbunden, um die Stabilität der Turbinenschaufel insgesamt zu erhöhen.
Durch das beschriebene Abstützen der Schaufelwände mit Git ¬ terstrukturen lässt sich darüber hinaus erreichen, dass die Schaufelwände dünner, also mit geringerer Profilwandstärke, hergestellt werden können, als dies bei hohlen Turbinenschau ¬ feln der Fall wäre.
Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn im Rahmen des additiven Herstellungsverfahrens in der Turbinenschaufel zumindest ein Entwässerungsschlitz hergestellt wird. Derartige Entwässerungsschlitze werden vorzugsweise dazu ver ¬ wendet, Wasser, das aus dem durch die Turbine fließenden Dampfstrom auskondensiert ist, aus der wandnahen Strömung des Strömungsmediums abzuführen. Die durch die Kondensation ent ¬ stehenden Wandtropfen können zu Erosionsschäden an den Laufschaufeln der Turbine in nachfolgenden Turbinenstufen führen. Eine solche Erosionsschädigung lässt sich jedoch reduzieren, wenn - wie vorgeschlagen - Entwässerungsschlitze vorgesehen werden, mit denen sich die Größe der Wassertropfen verkleinern lässt. Dadurch erfahren die Wassertropfen eine größere Geschwindigkeit und somit eine kleinere Relativgeschwindig ¬ keit zur Rotationsbewegung der Laufschaufeln, wodurch die Erosionsschädigung durch die Wassertropfen reduziert wird.
Besonders bevorzugt werden die Entwässerungsschlitze nahe der Hinterkante der Turbinenschaufel angeordnet. Beispielsweise befinden sich die Entwässerungsschlitze in dem der Hinterkante nächsten Drittel der druckseitigen Schaufelwand. Auf der saugseitigen Schaufelwand befinden sich die Entwässerungsschlitze beispielsweise im vorderen Drittel nach der Eintrittskante .
Ein Anordnen von Entwässerungsschlitzen besonders nahe an der Hinterkante wird möglich, wenn eine Gitterstruktur innerhalb der Turbinenschaufel vorgesehen wird, da in einem solchen Falle eine besonders dünne Schaufelwanddicke eingesetzt wer ¬ den kann. Alternativ und/oder zusätzlich können während des additiven Herstellungsverfahrens auch weitere Merkmale der Turbinen ¬ schaufel realisiert werden: So können beispielsweise Behei ¬ zungsöffnungen zur Reduktion der Wassertropfen in der Turbine und/oder sonstige Löcher in der Schaufelwand hergestellt wer ¬ den. Außerdem wird der Wärmeübergang zwischen dem Heiz- oder Kühlmedium im Inneren der Schaufel durch die Gitterstruktur und deren großer Oberfläche begünstigt. Um zu vermeiden, dass Entwässerungsschlitze oder Beheizungs ¬ öffnungen die Stabilität der Turbinenschaufel beeinträchti ¬ gen, beispielsweise Sollbruchstellen bilden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn Entwässerungsschlitze, Beheizungs ¬ öffnungen, sonstige Löcher oder sonstige Öffnungen zumindest teilweise mit Gitterstrukturen versehen werden, durch die eine Abstützung erfolgt.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Turbinenschaufel. Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen, dass zwischen Schaufelwänden der Turbinenschaufel ein Hohlraum vorhanden ist, der zumindest abschnittsweise mit einer Git ¬ terstruktur gefüllt ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschau- fei ist darin zu sehen, dass diese eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht aufweist.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel, eine Laufschaufei oder eine Kompressorschaufel.
Um eine besonders hohe Stabilität der Turbinenschaufel zu ge ¬ währleisten, sind die saugseitige Schaufelwand der Turbinen ¬ schaufel und die druckseitige Schaufelwand der Turbinenschau ¬ fel durch die Gitterstruktur miteinander verbunden. Durch eine solche Verbindung lässt sich ein Abstützen der Schaufelwände untereinander erreichen und somit eine besonders hohe Stabilität gewährleisten.
Falls in den Schaufelwänden Öffnungen oder Löcher vorhanden sind, sind diese vorzugsweise mit einer Gitterstruktur - zu ¬ mindest teilweise - versehen.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Turbine, insbesondere Gasturbine oder Dampfturbine, die mit zumindest einer Turbinenschaufel, wie sie oben beschrieben ist, ausge ¬ stattet ist. Vorzugsweise bildet die Turbinenschaufel inner ¬ halb der Turbine eine statische Leitschaufel, eine rotierende Laufschaufei oder eine Kompressionsschaufel.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie ¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 Ausführungsbeispiel für eine
erfindungsgemäße Turbinenschaufel in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der
Seite,
Figur 2 die Turbinenschaufel gemäß Figur 1 im Quer- schnitt,
Figur 3 die druckseitige Schaufelwand der Turbinen ¬ schaufel gemäß Figur 1 in der Draufsicht,
Figur 4 die saugseitige Schaufelwand der Turbinen ¬ schaufel gemäß Figur 1 in der Draufsicht,
Figur 5 beispielhaft ein Loch in einer Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 im Quer- schnitt, wobei das Loch vollständig mit
einer Gitterstruktur gefüllt
Figur 6 beispielhaft ein Loch in einer Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 im Quer ¬ schnitt, wobei das Loch teilweise mit einer
Gitterstruktur gefüllt ist, und
Figur 7 beispielhaft ein Loch in einer Schaufelwand der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 im Quer ¬ schnitt, wobei das Loch von unten mit einer
Gitterstruktur abgestützt
Der Übersicht halber werden in den Figuren für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
In der Figur 1 erkennt man eine Turbinenschaufel 10, die eine saugseitige Schaufelwand 20 sowie eine druckseitige Schaufel- wand 30 umfasst. Die saugseitige Schaufelwand 20 und die druckseitige Schaufelwand 30 sind an einer Hinterkante 40 so ¬ wie an einer Vorderkante 50 miteinander verbunden.
In der Figur 1 lässt sich darüber hinaus erkennen, dass der Hohlraum 55 zwischen den beiden Schaufelwänden 20 und 30 mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur versehen ist, die mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet ist.
Die in der Figur 1 dargestellte Turbinenschaufel 10 wird im Rahmen eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt, bei dem die saugseitige Schaufelwand 20, die druckseitige Schaufelwand 30 sowie die Gitterstruktur 60 aus demselben Ma ¬ terial gleichzeitig hergestellt werden. In Figur 2 ist die Turbinenschaufel 10 gemäß Figur 1 im Quer ¬ schnitt dargestellt. Man erkennt die Schaufelwände 20 und 30, die Hinterkante 40, die Vorderkante 50 sowie die Gitterstruk ¬ tur 60.
In der Figur 3 ist die druckseitige Schaufelwand 30 der Tur ¬ binenschaufel 10 gemäß den Figuren 1 und 2 in der Draufsicht näher im Detail dargestellt. Man erkennt, dass die Schaufel ¬ wand 30 zwei schlitzförmige Löcher 100 und 110 aufweist. Die schlitzförmigen Löcher können als Entwässerungsschlitze und/oder Heizungsöffnungen dienen, mit denen Wasser aus der wandnahen Strömung des die Turbine durchströmenden Strömungsmediums abgeführt wird. Wie sich in der Figur 3 gut erkennen lässt, ist die Anordnung der schlitzförmigen Löcher 100 und 110 derart gewählt, dass sich diese möglichst dicht an der Hinterkante 40, also der Vorderkante 50 möglichst abgewandt, befinden. Besonders be ¬ vorzugt sind die schlitzförmigen Löcher 100 und 110 innerhalb der der Hinterkante 40 zugewandten Hälfte A der druckseitigen Schaufelwand 30 angeordnet.
Die Figur 4 zeigt beispielhaft die saugseitige Schaufelwand 20 der Turbinenschaufel 10. Man erkennt, dass im Bereich der Vorderkante 50 ein schlitzförmiges Loch 120 angeordnet ist, das sich durch die Schaufelwand 20 hindurch erstreckt. Beson ¬ ders bevorzugt ist das schlitzförmige Loch 120 innerhalb der der Vorderkante 50 zugewandten Hälfte B der saugseitigen Schaufelwand 20 angeordnet. Die innerhalb der Turbinenschau- fei 10 angeordnete Gitterstruktur 60 kann außerhalb des schlitzförmigen Lochs 120 angeordnet sein oder sich alternativ in das schlitzförmige Loch 120 hinein erstrecken. In der Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem sich die Gitterstruktur 60 vollständig in ein Loch 200 der Schaufelwand 210 der Turbinenschaufel 10 hineinerstreckt. Das Loch 200 wird somit durch die Gitterstruktur 60 überbrückt und durch diese abgestützt.
In der Figur 6 ist beispielhaft eine Ausführungsform gezeigt, bei der sich die Gitterstruktur 60 nur teilweise in das Loch 200 hineinerstreckt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 wird circa die Hälfte der Wandstärke d von der Gitterstruk ¬ tur 60 erfasst; die andere Hälfte der Wandstärke bleibt von der Gitterstruktur 60 frei.
In der Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Loch 200 gezeigt, das überhaupt nicht mit einer Gitterstruktur 60 ver ¬ sehen ist. Die Gitterstruktur 60 erstreckt sich nur bis an den unteren Rand 220 des Lochs 200 heran bzw. grenzt an das Loch 200 an, ohne dabei in das Loch selbst hineinzuragen. Die Gitterstruktur 60 befindet sich also nur innerhalb der Turbi- nenschaufel und nicht im Bereich des Lochs 200.
Next Patent: METHOD OF CREATING A PRINTABLE RASTER IMAGE FILE