DE60129483T2

DE60129483T2 - Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks mit verbesserter Wärmeübertragungsfläche und Wachsmodell zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE60129483T2
Application number: DE60129483T
Authority: DE
Inventors: Ching Pang Lee; Nesim Abuaf; Wayne Charles Hasz; Robert Alan Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: US20010020525A1; KR20070034549A; EP1498198B1; KR100769765B1; DE60129483D1; JP2001232444A; US6382300B2; EP1116537B1; EP1116537A2; EP1498198A1; KR20010070417A; US6302185B1; DE60117715T2; EP1116537A3; KR100779278B1; DE60117715D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Teile, die eine Oberflächen-Rauheit erfordern, wie z.B. Metallteile, die in Turbinentriebwerken benutzt werden, und insbesondere auf die Erhöhung der Wärmeübergangseigenschaften verschiedener Oberflächen dieser Teile.
Es wurden bisher verschiedene Techniken erdacht, um die Temperatur von Turbinenteilen unterhalb kritischer Bereiche zu halten. Zum Beispiel wird oftmals kühlende Luft vom Verdichter des Triebwerks entlang einer oder mehrerer Oberflächen dieser Teile durch die Teile geleitet. Solch ein Luftstrom wird in Fachkreisen als Hinterlüftungsstrom verstanden, wobei kühlende Luft zur Oberfläche eines Triebwerksteils geleitet wird, welches nicht direkt den hohen Temperaturgasen der Brennkammer ausgesetzt ist. In Verbindung mit Hinterlüftungsstrom wurden Oberflächenüberstände der Teile genutzt, um den Wärmeübergang zu verstärken. Diese Überstände oder Buckel erweitern die Oberfläche eines Teiles und dadurch den Wärmeübergang durch Nutzung eines Kühlmittels, welches an der Oberfläche entlang geleitet wird. Die Überstände werden durch eine mehrerer Techniken gebildet, einschließlich Siebdruck und Formguss.
EP 1 065 345 zeigt Turbinentriebwerksteile mit erhöhten Wärmeübergangs-Eigenschaften. Die Triebwerksteile können direkt durch Formguss hergestellt werden. Das Gussteil hat eine strukturierte Oberfläche.
EP 1 065 345 zeigt ein Präzisions-Gussformverfahren. Das Material des Musters umfasst im Wesentlichen kugelförmige Partikel.
Es besteht Bedarf für Gussteile und Verfahren zum Abformen von Gussteilen mit Wärmeübergangs-Eigenschaften durch Erweiterung der Oberflächenbereiche für ein verbessertes Verhalten beim Wärmeübergang.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen enthalten.
Dem vorgenannten Bedarf wird mittels der vorliegenden Erfindung Rechnung getragen, welche ein Gussteil beinhaltet mit einer Wärmeübergangsfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen. Die Vertiefungen sollten eine Dichte im Bereich von etwa 25 Partikeln pro Quadratzentimeter bis zu 1.100 Partikeln pro Quadratzentimeter haben und eine durchschnittliche Tiefe von weniger als etwa 300 Mikron bis zu etwa 2.000 Mikron.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung umfasst eine Gussform zur Bildung eines Musters zur Nutzung beim Abformen von Gussteilen mit einer Wärmeübergangsfläche. Die Gussform weist einen ersten Formbereich und einen zweiten Formbereich auf, der einen Hohlraum für das Abformen des Musters begrenzt. Mehrere Partikel sind einem Abschnitt des ersten Formbereichs zugefügt, der den Hohlraum begrenzt. Diese Partikel sollten eine Dichte im Bereich von etwa 25 Partikeln pro Quadratzentimeter bis zu 1.100 Partikeln pro Quadratzentimeter und eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von etwa 300 Mikron bis zu etwa 2.000 Mikron aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung umfasst ein Muster zum Aufbau eines Gussteils mit einer verbesser ten Wärmeübergangsfläche. Dieses Muster entspricht dem Gussteil und hat einen Oberflächenbereich mit einer Vielzahl von Vertiefungen ähnlich wie die des oben beschriebenen Gussteils.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Verfahren zum Abformen des Gussteils wie oben beschrieben und ein Verfahren zum Abformen des Musters wie oben beschrieben.
Wiederum eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Aufbau einer Gussform zur Nutzung beim Abformen des Musters, die zum Abformen des Gussteils benutzt wird, wie oben beschrieben. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung einer Gussform mit einem ersten Gussform-Abschnitt und einem zweiten Gussform-Abschnitt, der einen Hohlraum zur Bildung des Musters abgrenzt sowie das Einfügen mehrerer Partikel in einen Bereich des ersten Gussform-Abschnitts, der den Hohlraum begrenzt. Die Ansammlung von Partikeln umfasst eine Dichte im Bereich von etwa 25 Partikeln pro Quadratzentimeter bis zu etwa 1.100 Partikeln pro Quadratzentimeter und eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von etwa 300 Mikron bis zu etwa 2.000 Mikron.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend nur beispielhaft beschrieben, unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
1 einen Teil-Längsschnitt einer Turbine darstellt, in dem die Turbine im Allgemeinen symmetrisch um einen Mittelpunkt herum angeordnet ist;
2 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines Turbinenmantelringabschnitts der vorliegenden Erfindung darstellt, wie in 1 aufgezeigt;
3 eine Querschnittsansicht darstellt, die entlang der Linie 3-3 der 2 verläuft;
4 eine vergrößerte Ansicht des Details 4 von 3 darstellt, welche eine Wärmeübergangsfläche der Gussform zeigt, die mehrere Vertiefungen hat;
5 eine Querschnittsansicht einer Gussform der vorliegenden Erfindung darstellt, die einen Hohlraum zum Abformen der Struktur hat, die zum Abformen des Turbinenmantelringabschnitts benutzt wird, wie in 2 gezeigt;
6 eine vergrößerte Detailansicht von Teil 6 der 5 darstellt, die mehrere Partikel zeigt, die sich über die Oberfläche der Gussform ausdehnen, welche den Hohlraum begrenzt;
7 eine Querschnittsansicht eines Formmodells darstellt, das bei der Nutzung der Gussform von 5 entsteht;
8 eine vergrößerte Detailansicht des Teils 8 aus 7 darstellt, das eine Oberflächenstruktur mit einer Ansammlung von Vertiefungen zeigt; und
9 eine Querschnittsansicht ähnlich wie 7 darstellt, in dem das Wachsmodell eine keramische Hülle hat.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen Längsschnitt eines Abschnitts der Turbine 10, in der eine Gasströmung 20 durch einen inneren Abschnitt 22 der Turbine 10 hindurch fließt. Mehrere Düsen 30 steuern die Gasströmung 20 und mehrere Ventilkolben 40 nehmen die Gasströmung 20 auf, um eine Welle zu drehen. Ein Turbinenmantelring 50 umschließt die Ventilkolben 40, wobei der innere Abschnitt 22 von einem äußeren Abschnitt 28 abgegrenzt wird. Mehrere Turbinenmantelringabschnitte oder Gussteile 60, von denen eines in 2 illustriert wird, bilden typischerweise den Turbinenmantelring 50. Das Gussteil 60 weist eine Innenfläche 70 auf, die auf den Ventilkolben 40 angeordnet ist und eine verstärkte Wärmeübergangsfläche 80, die an der Unterseite einer Einkerbung 90 angeordnet ist.
In der beispielhaften Turbine 10 kann der innere Abschnitt 22 der Turbine 10 Temperaturen über 2.000°F (1.093°C) überschreiten. Um eine Deformation des Turbinenmantelrings zu vermeiden, ist es wünschenswert, den Turbinenmantelring bei einer Temperatur im Bereich von 1.400-1.600°F (760-971°C) zu halten.
Wie in 3 dargestellt, umfasst das Gussteil 60 Öffnungen oder Durchlässe 100, die die Kühlung des Gussteils 60 mittels Durchfluss von verdichteter Luft 85 begünstigen. Die verdichtete Luft 85 absorbiert Hitze von der Wärmeübergangsfläche 80, bevor sie durch die Öffnungen 100 in dem Turbinenmantelringabschnitt hindurch fließt.
Um die Aufnahme von Hitze vom Gussteil 60 weiter zu verstärken, hat die Wärmeübergangsfläche 80 einen erweiterten Oberflächenbereich. Der erweiterte Oberflächenbereich wird erreicht durch Anrauen der Oberfläche während des Abformvorgangs des Gussteils. Die Erhöhung des Oberflächenkühlungs-Bereiches des Turbinenmantelrings verbessert das Verhalten der Turbine, und durch Reduzierung der Temperatur des Turbinenmantelrings wird seine Nutzungsdauer ebenfalls verlängert.
Wie in 4 bestens dargestellt, umfasst ein Abschnitt der Wärmeübergangsfläche 80 mehrere Vertiefungen 110 zur Erweiterung des Oberflächenbereiches, deren Aufbau und Beschreibung nachfolgend detailliert aufgeführt ist.
Im Hinblick auf 5, illustriert 5 eine Form oder Gussform 200 der vorliegenden Erfindung, um ein Muster 300 (7) abzuformen, für die Nutzung bei der Abformung des Gussteils 60 mit der Wärmeübergangsfläche 80. Die Form 200 umfasst einen ersten Formabschnitt 202 und einen zweiten Formabschnitt 204, die einen Hohlraum 205 begrenzen zum Abformen des Musters 300 (7).
Ein Abschnitt 210 des ersten Formabschnitts 202, in 6 bestens dargestellt, enthält Turbulations-Material, wie die Ansammlung von Partikeln 220, die dem Oberflächenabschnitt 240 angefügt sind. Die Ansammlung von Partikeln 220 formt eine angeraute Oberfläche, die nützlich ist, um eine angeraute Oberfläche des Musters 300 (7) zu erzeugen, wie nachfolgend erläutert.
Die Ansammlung von Partikeln 220 haben eine Dichte von mindestens etwa 25 Partikeln pro Quadratzentimeter bis zu etwa 1.100 Partikeln pro Quadratzentimeter und eine durchschnittliche Partikelgröße von einer Größe von weniger als etwa 2.000 Mikron. In einer Ausführungsform hat die Ansammlung von Partikeln 220 eine Dichte von wenigstens etwa 100 Partikeln pro Quadratzentimeter und eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als etwa 1.000 Mikron. In einer anderen Ausführungsform sollte die Ansammlung von Partikeln 220 eine Dichte von mindestens 1.100 Partikeln je Quadratzentimeter haben und eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als etwa 300 Mikron.
Die Ansammlung von Partikeln 220 kann einem Abschnitt 210 des ersten Gussform-Abschnitts 202 durch Hartlöten zugefügt werden mittels Nutzung eines handelsüblich erhältlichen Blatts grüner Hartlötstreifen 230. Der Grüne Hartlötstreifen 230 umfasst eine erste Seite 250 mit einem Klebstoff und einer nicht klebenden Rückseite, die auf die Oberfläche 240 des Abschnitts 210 der Gussform 200 aufgebracht wird. Die Ansammlung von Partikeln wird dann auf die klebende Oberfläche 250 aufgetragen und anschließend mit einem Lösungsmittel übersprüht. Das Lösungsmittel, wie z.B. ein organisches oder wasserhaltiges Lösungsmittel wird benutzt, um das Blatt Hartlötstreifen 230 aufzuweichen, um einen guten Kontakt zwischen der Oberfläche 240 des Abschnitts 210 der Gussform 200 und dem Hartlötblatt 230 sicher zu stellen. Der Abschnitt 210 des ersten Gussformabschnitts 202 wird dann erhitzt, um die Ansammlung von Partikeln auf die Oberfläche 240 aufzulöten, um eine angeraute Oberfläche zu bilden. Geeignete Partikel und Verfahren zum Aufbringen der Partikel auf eine Oberfläche werden in EP-A-1050663 benannt unter der Bezeichnung "Artikel mit Turbulation und Verfahren zur Sicherstellung von Turbulation auf einem Artikel", auf dessen gesamten Gegenstand hier umfänglich verwiesen wird.
Sowohl die Größe und Form als auch die Anordnung der Partikel 220 auf der Gussform 200 kann angepasst werden, um eine maximale Wärmeübertragung für eine vorgegebene Situation vorzuhalten. Die Figuren zeigen im Allgemeinen kugelförmige Partikel, aber diese könnten auch andere Formen aufweisen, wie z.B. Kegel, angeschnittene Kegel, Stäbchen oder Lamellen. Die Anzahl der Partikel je einheitlichem Abschnitt wird von verschiedenen Faktoren abhängen, wie ihre Größe und Form. Die Gussform 200, die Ansammlung von Partikeln 220 und das Lötmetall der Lötstreifen sollten möglichst aus ähnlichem Metall sein.
Nach dem Aufbringen der Ansammlung von Partikeln 220 auf der Gussform 202 kann die Gussform 202 für herkömmliche Gussverfahren verwendet werden, um das Muster 300 herzustellen, wie in 7 gezeigt. Das Muster 300 wird eine angeraute Oberflächenstruktur haben, die das Spiegelbild der Gussform 200 ist.
In einem Beispiel eines herkömmlichen Gussverfahrens ist die Gussform 200 (5) mit flüssigem Wachs gefüllt, was aushärten kann, um dann das Muster 300 zu ergeben, welches dem Gussteil 60 (2 und 3) entspricht. Dieses Muster 300 umfasst die angeraute Oberfläche 340 mit den Vertiefungen 310, die von der Ansammlung von Partikeln 220 gebildet werden, wie in 8 bestens dargestellt. Diese Vertiefungen haben eine durchschnittliche Tiefe von weniger als etwa 2.000 Mikron, vorzugsweise weniger als etwa 1.000 Mikron und am besten weniger als etwa 300 Mikron. Für kugelförmige Partikel entspricht die Ansammlung von Vertiefungen 310 einer Dichte von wenigstens etwa 25 Partikeln je Quadratzentimeter, einer Dichte von wenigstens etwa 100 Partikeln je Quadratzentimeter und einer Dichte von wenigstens etwa 1.100 Partikeln je Quadratzentimeter.
Wie in 9 aufgezeigt, sollte eine keramische Hülle 320 dem Muster 300 angefügt werden. Das Muster 300 mit der keramischen Hülle 320 wird dann in einem herkömmlichen Präzisions-Gussverfahren benutzt, durch Platzierung in einer Sandform, umgeben von Formsand. Die Sandform wird dann bis über den Schmelzpunkt des Wachsmusters erhitzt, so dass das Wachs durch einen Auslass aus der Sandform heraus treten kann. Gussmaterial, z.B. flüssiges Metall, wird dann in die Sandform eingeführt und insbesondere in die keramische Hülle 320, durch einen Einlass und kann dann aushärten. Das geformte Gussteil 60 wird dann aus der Sandform entfernt und die keramische Hülle 320 wird gereinigt und von möglichen rückständigen Metallteilen, die sich in Einlass und Auslass der keramischen Hülle gebildet haben, befreit. Außerdem ist maschinelle Bearbeitung notwenig, um die Hohlkehlen 62 und 64 zu bilden, wie in 2 bestens dargestellt. Das Metall sollte möglichst ein Aluminium sein, wie z.B. ein hitzebeständiges Aluminium, das für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt ist.
Nochmals unter Hinweis auf 4, wird das Gussteil 60 eine Wärmeübergangsfläche 80 aufweisen mit einer Vielzahl von Vertiefungen 110, welches dem Muster 300 entspricht. Zum Beispiel hat die Ansammlung von Vertiefungen 110 der Gussform 60 eine durchschnittliche Tiefe von weniger als etwa 2.000 Mikron, besser weniger als etwa 1.000 Mikron und am besten weniger als etwa 300 Mikron. Für kugelförmige Partikel (500 Mikron im Durchmesser) entspricht die Ansammlung von Vertiefungen 310 einer Dichte von wenigstens 25 Partikeln pro Quadratzentimeter (z.B. ein erweiterter Oberflächenbereich A/A_o von etwa 1.10), einer Dichte von mindestens 100 Partikeln pro Quadratzentimeter (z.B. ein erweiterter Oberflächenbereich von etwa 1.39), und eine Dichte von mindestens etwa 1.100 Partikeln pro Quadratzentimeter (z.B. ein erweiterter Oberflächenbereich von etwa 2.57).
Die Größe der Ansammlung von Partikeln 220 wird im Wesentlichen bestimmt durch den gewünschten Grad an Oberflächen-Rauheit, Oberflächenbereich und Wärmeübergang. Oberflächen-Rauheit kann sowohl durch einen durchschnittlichen, mittleren Rauhigkeitswert Ra gekennzeichnet werden als auch durch die durchschnittliche Entfernung von Spitze zu Tiefstpunkt Rz in einem festgelegten Bereich, die durch optische Profilometrie gemessen wird, wie in 4 gezeigt. Zum Beispiel ist Ra innerhalb einer Bandbreite von 2-4 mils (50-100 Mikron). Ähnlich ist bei einer Ausführungsform Rz in einer Bandbreite von 12-20 mils (300-500 Mikron).
Aufgrund der vorliegenden Beschreibung wird es von Fachleuten anerkannt werden, dass das Muster Keramik enthalten kann zur Nutzung in Hohlformen wie z.B. Turbinen-Lüftungsblätter etc. Entsprechend umfassen die verschiedenen Teile, die mit der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, sowohl Verbrennungsklappen, Verbrennungskuppeln, Ventilkolben oder Blätter, Düsen oder Schaufeln als auch Turbinenmantelringabschnitte.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen hier detailliert beschrieben und dargelegt wurden, wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen, Ersetzungen und Ähnliches durchgeführt werden können, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen und diese werden daher als Bestandteile des Erfindungsbereiches angesehen, wie in den folgenden Patentansprüchen definiert.

Claims

Verfahren zum Abformen eines Gussteils oder Formteils (60) mit einer Wärmeübergangsfläche (80), wobei das Verfahren beinhaltet, dass eine Form (200) zum Abformen eines Wachsmusters (300) bereitgestellt wird, wobei die Form (200) einen ersten Formenbereich (202) und einen zweiten Formenbereich (204), die einen Hohlraum (205) zum Abformen des Musters (300) bilden, und mehrere Partikel (220) aufweist, die an einem Oberflächenbereich (240) des ersten Formenbereichs (202), der zu der Wärmeübergangsfläche (80) des Form- oder Gussteils (60) gehört, angefügt sind, wobei die mehreren Partikel (220) eine Dichte im Bereich von ungefähr 25 Partikel pro Quadratzentimeter bis ungefähr 1100 Partikel pro Quadratzentimeter und eine mittlere Partikelgröße in der Größenordnung von ungefähr 300 Mikrometer bis ungefähr 2000 Mikrometer aufweisen; Wachs in die Form (200) eingeführt wird, um ein Wachsmuster (300) zu bilden; eine Präzisions-Gussform hergestellt wird, die das Wachsmuster (300) enthält; das geschmolzene Metall in die Präzisions-Gussform gegossen wird; und dass das Metall abgekühlt wird, um das Guss- oder Formteil (60) abzuformen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Wachsmuster (300) eine äußere Keramikhülle (320) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die mehreren Partikel (220) eine Partikelgröße von weniger als 2000 Mikrometern aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Dichte mindestens 100 Partikel pro Quadratzentimeter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die mehreren Partikel (220) eine Partikelgröße von weniger als 1000 Mikrometer aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Dichte mindestens 1100 Partikel (220) pro Quadratzentimeter aufweist.
Muster nach Anspruch 6, worin die mehreren Partikel (220) eine Tiefe von weniger als ungefähr 300 Mikrometern aufweisen.
Wachsmuster (300), das durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
Gussteil oder Formteil (60), das durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 abgeformt ist.