Hohlraums

Die Erfindung betrifft ein gegossenes Bauteil, das hohl ausgeführt sein soll, wobei erst durch das Fügen eines Blechs ein Hohlraum entsteht.

Zurzeit begrenzt die Länge der Turbinenschaufel der hinteren Reihe die Leistung großer Gasturbinen, da hohe Fliehkräfte bei hohen Temperaturen wirken und somit die bisherige Lösung massiv gegossener Schaufeln an ihre Grenzen stößt. Eine

Verlängerung dieser Schaufeln, in Kombination mit einer

Aushöhlung zwecks Kühlung, ist jedoch insbesondere für die kommenden Entwicklungen notwendig, um die geforderten

Leistungssteigerungen zu ermöglichen. Eine Vergrößerung der Schaufel würde jedoch auch zu einem höheren Gewicht führen, wodurch die Fliehkräfte größer würden als die Schaufel aushalten kann. Daher muss das Gewicht der Schaufel reduziert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Bauteil und ein

Verfahren aufzuzeigen, mit dem oben genannte Probleme gelöst werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

Da die Fertigung großer hohler Bauteile mit geringen

Wandstärken im Guss nicht möglich ist, wird lediglich der Schaufelfuß inklusive Schaufelvorderkante und -hinterkante gegossen. Dabei können die Vorder- und die Hinterkante zumindest vorzugsweise hohl ausgeführt und entsprechend gekühlt werden. Das Schaufelblatt wird durch ein Blech mit geringer Wandstärke geschlossen, das jeweils auf Druck- und Saugseite an die Vorder- und die Hinterkante mit senkrechten Schweißnähten (unkritisch, da parallel zur Richtung der

Fliehkräfte) fixiert wird. Zur weiteren Gewichtsreduktion könnte das Material der Bleche optimiert werden und die

Bleche zum Schutz gegen die hohen Temperaturen und Oxidation auch mit einer Beschichtung versehen werden.

Das Schaufelblatt wird nicht komplett gegossen, sondern aus mehreren Bestandteilen aufgebaut, wobei Druck und Saugseite des Schaufelblattes durch einfach gebogene Bleche mit

geringer Wandstärke und geringem Gewicht ersetzt werden. Zur Stabilisierung des Blattes können im Inneren der Schaufel Querstreben zwischen Vorder- und Hinterkante eingebracht werden.

Da die Fertigung geringer Wandstärken im Guss nicht möglich ist, wird lediglich der Schaufelfuß inklusive ein Teil des Schaufelblatts gegossen, also Vorderkante, Hinterkante und vorzugsweise eine Seite des Schaufelblattes. Ob man die

Druck- oder die Saugseite gießt, kann anhand der Komplexität der Form entschieden werden. Vorzugsweise würde man die komplexere Seite gießen und die einfachere durch ein Blech ersetzen. Dadurch dass die gegossene Schaufel dann offen ist, wird die Messung der Wandstärke stark vereinfacht und auch die mechanische Bearbeitung zum Ausdünnen erleichtert. Das Schaufelblatt wird durch ein Blech mit geringer Wandstärke mittels Schweißnähten geschlossen. Aufgrund des geringen Eigengewichts des Blechs kann von einer ausreichenden

Festigkeit der Schweißnähte ausgegangen werden. Zur weiteren Gewichtsreduktion könnte das Material des Blechs optimiert werden und das Blech zum Schutz gegen die hohen Temperaturen und Oxidation auch mit einer Beschichtung versehen werden. Das Schaufelblatt wird offen und nicht vollständig gegossen, sondern aus zwei Bestandteilen aufgebaut, wobei die

mechanische Bearbeitung des Schaufelblattes von innen und auch die Wandstärkemessung deutlich vereinfacht werden. Die Druck- bzw. Saugseite des Schaufelblattes wird durch ein einfach gebogenes Blech mit geringer Wandstärke und geringem Gewicht ersetzt. Zur Stabilisierung des Blattes kann im

Inneren der Schaufel eine Art Gerüst zwischen Vorder- und Hinterkante eingebracht werden.

Es zeigen:

Figur 1, 4, 5 Ansichten von hohlen Bauteilen, die noch kein gefügtes Blech aufweisen,

Figur 2, 3 Querschnitte durch ein hohles Bauteil, bei dem zumindest ein Blech angefügt ist, Figur 5 zeigt die Aufsicht auf ein Gerüst eines

herzustellenden hohlen Bauteils bspw. erläutert anhand einer Turbinenschaufel,

Figur 6 eine Turbinenschaufel.

Die Figuren und die Beschreibung stellen

Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

In Figur 2 ist im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem ein gegossenes Gerüst I `` vorzugsweise zwei Aussparungen 50, 51 aufweist und

vorzugsweise ein vorderes Element 10 `` (Vorderkante 409, Fig. 6) und ein hinteres Element 7 `` (Hinterkante 412, Fig.6) als gegossenes Element vorhanden sind, die sich vorzugsweise entlang einer Längsachse 121 eines Bauteils 120, 130 (Fig. 6) erstrecken .

Das vordere Element 10 `` und das hintere Element 7`` bilden Teil der äußeren Oberfläche 100 des Bauteils 120, 130 und sind mit dem Gerüst 1`` zusammen gegossen worden. Ebenso ist ein Befestigungsbereich 4 (Fig. 1) mit gegossen, der vorzugsweise keine Bleche aufweist und an den sich vorderes Element 10 `` und hinteres Element 7`` anschließen. Der Befestigungsbereich 4 ist an einem Ende des Bauteils 120, 130 vorhanden.

Zwischen vorderem Element 10 `` und hinterem Element 7`` sind auf beiden Seiten vorzugsweise jeweils Aussparungen 50, 51 vorhanden.

Die Aussparungen 50, 51 erstrecken sich in Richtung der

Längsachse 121 über die Länge des vorderen Elements 10 `` und des hinteren Elements 7 `` . Da die Aussparungen 50, 51; 50 ` 51 ` (Fig. 3) auf

gegenüberliegenden Seiten vorhanden sind, wird durch das Fügen von zwei Blechen 16, 19; 16 ` 19 `` (Fig. 3) in die

Aussparungen 50, 51; 50`, 51 ` ein Hohlraum 28 ``, 28``` zwischen der Saug- und Druckseite des Bauteils 120, 130 erzeugt.

Die Bleche 16, 19; 16 `, 19`; 17 (Fig. 5) liegen so an dem hinteren Element 7`` und dem vorderen Element 10 `` an tiefer gelegenen Flächen 2 ` ..., 2 ^IV an, dass ihre Außenfläche bündig mit der Oberfläche 100 des vorderen Elements 7`` und des hinteren Elements 10 `` im Bereich ihres Übergangs

abschließen .

Das vordere Element 10 `` und das hintere Element 7`` und die Bleche 16, 19; 16 ` 19 `; 17 sind vorzugsweise länglich und schmal ausgebildet.

Die Bleche 16, 19; 16 ` 19 `; 17 stellen die Seitenflächen des hohlen Bauteils 120, 130 dar, wobei der größte Anteil von ihnen gebildet wird.

Die Bleche 16, 19; 16 ` 19 `; 17 können auf verschiedene Art und Weise hergestellt sein. Die Bleche 16, 19; 16 ` 19 ` ; 17 sind vorzugsweise verschweißt mit dem Gerüst 1`, 1``, 1```, 1 ^IV , l ^v , wobei die Schweißnähte, insbesondere alle Schweißnähte parallel zur

Belastungsrichtung, hier der Längsachse 121 des Bauteils 120, 130 verlaufen.

Soll die Turbinenschaufel 120, 130 gekühlt werden, so können das vordere Element 10``` und das hintere Element 7``` als hohle Elemente ausgebildet sein (Fig. 3), wobei zumindest ein Auslass 22 ` zwischen den zumindest dem vorderem Hohlraum 31 des vorderen Elements 10``` und dem Hohlraum 28``` vorhanden sind, um den Austausch von Kühlmittel zu ermöglichen. Die Auslässe 22, 22 ` stellen vorzugsweise Durchgänge zu den Holräumen 28``` und/oder zur Oberfläche 100 dar.

Eine Versorgung des Hohlraums 28 ` 28 <sup>IV</sup> kann auch durch den Schaufelfuß 4, 4` 4 ^V erfolgen.

Zur Stabilität ist zwischen den vorderen Elementen 10` und den hinteren Elementen 7 ` vorzugsweise eine Verbindung 13 (Fig. 1) vorhanden, die den Abstand zwischen dem vorderen Element 10 ` und dem hinteren Element 7` gewährleistet (Fig. 1) .

Die Verbindung ist in der oberen Hälfte vorhanden. Die Hälfte bezieht sich auf die Länge der Bleche entlang der Längsachse 121. In dem unteren Bereich ist vorzugsweise, ganz insbesondere zusätzlich zur Verbindung in der oberen Hälfte eine oder mehrere Querverstrebungen 25 ` 25 `` zur Stabilität (Figur 4) vorhanden . Die Turbinenschaufel 120, 130 in Figur 5 als ein

beispielhaftes hohles Bauteil 120, 130 weist einen massiven Schaufelfuß 4 ^V auf, an den sich ein Schaufelblatt anschließt, das im Inneren hohl ausgebildet ist. Die Hohlräume 28 ` 28 können zur Innenkühlung verwendet werden. Die Bleche 19, 19; 16 ` 19 ` ; 17 weisen vorzugsweise auf den inneren Oberflächen gewisse Strukturen wie Kühlkanäle oder sonstige Erhebungen auf.

Das Blech 17 oder die Bleche 16, 19; 16 ` 19 ` können an ihren Innenseite ebenfalls Strukturen oder Erhebungen zur Bildung von inneren Kühlkanälen aufweisen.

Dies gilt ebenso für die Bleche 16, 19; 16 ` 19 ` der Figuren 2, 3.

Das Gerüst l ^v (Fig. 5) wird gegossen, jedoch sind ein

vorderes Element 10 ^v und ein hinteres Element 7 ^V in

Längsrichtung gesehen vorhanden, die eine Aussparung 29 aufweisen, in die ein Blech 17 gefügt werden kann.

Durch diesen Herstellungsprozess gemäß der Figuren wird kein hohl gegossenes Bauteil hergestellt und die Verwendung von

Kernen oder sonstige Probleme entfallen. Durch ein Blech, das gegebenenfalls auch gegossen wurde oder auch in anderer Art und Weise hergestellt werden kann, wird eine Aussparung 29 verschlossen, so dass ein hohles Bauteil entsteht.

Das Gerüst 1` l ^v kann auch ein Schmiedeteil sein.

Die Figur 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau- fei 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampf- turbine oder ein Kompressor sein.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf ^¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.

Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel ^¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge ^¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau ^¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 412 auf.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas ^¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprach- gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be ^¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil ^¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch

Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,

Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen

Dichte .

Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ -ZrO ₂ , d.h. sie ist nicht, teil ^¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid

und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme ^¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die

MCrAlX-Schicht .

Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu ^¬ tet) auf.