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WO2010086402A2 - Verfahren zum herstellen eines bauteils einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines bauteils einer gasturbine Download PDF

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WO2010086402A2
WO2010086402A2 PCT/EP2010/051074 EP2010051074W WO2010086402A2 WO 2010086402 A2 WO2010086402 A2 WO 2010086402A2 EP 2010051074 W EP2010051074 W EP 2010051074W WO 2010086402 A2 WO2010086402 A2 WO 2010086402A2
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WO
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cooling
platform
supply channels
component
gas turbine
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Thomas Heinz-Schwarzmaier
Jörg KRÜCKELS
Brian Kenneth Wardle
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GE Vernova GmbH
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Alstom Technology AG
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a method for producing a component of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines are designed to increase the efficiency for ever higher operating temperatures. Particularly exposed to thermal stresses are mainly the components or components in the combustion chamber and the running and vanes of the following turbine including the other, the hot gas channel limiting elements. The occurring thermal loads can be effectively countered if, on the one hand, particularly resistant materials, such as Nickel-based alloys are used. On the other hand, additional measures must be taken to cool the components, wherein different cooling methods, such as. the film cooling or the impingement cooling, find application.
  • a plate-shaped, projecting component portion of a gas turbine is known, one side of which is acted upon by the hot gas of the gas turbine, and in the plate plane of cooling supply channels is interspersed (Fig. 1 and 2 of the document), which emanating a larger plenum inside the component and be supplied with cooling air, and of which depart from a plurality of cooling holes, which open at the surface of the component portion in the outer space and is blown off by the cooling air for film cooling of the surface to the outside.
  • the component is a guide vane of a gas turbine and the component portion is formed on the blade, the hot gas channel of the turbine limiting platform.
  • FIG. 1 of the present application A corresponding component configuration is shown in Fig. 1 of the present application:
  • the vane 10 of FIG. 1, which is only partially shown, comprises an airfoil 1 1, which at one end in a transverse to
  • Blade longitudinal direction oriented platform 12 passes. When installed, the top of this platform 12 is acted upon by the hot gas of the turbine, which flows in the direction of the arrow from a front edge 13 of the blade on the blade 1 1 along to a trailing edge 14.
  • the platform 12 is cooled in the example of FIG. 1 predominantly by a film cooling in which distributed over the loaded surface of the platform 12 cooling air is blown to the outside and forms a cooling film on the surface.
  • a film cooling in which distributed over the loaded surface of the platform 12 cooling air is blown to the outside and forms a cooling film on the surface.
  • a plurality of rows of obliquely extending cooling holes 17 are provided, the outlets 18 are arranged on the surface of the platform 12.
  • the cooling bores 17 are supplied in rows by means of cooling supply channels 15 extending transversely thereto (indicated by dashed lines in FIG. 1) with pressurized cooling air which is taken from a plenum, not shown in FIG. 1, located in the interior of the blade.
  • the cooling supply channels 15 are subsequently introduced by a spark erosion process (EDM or Electrical Discharge Machining) in the finished casting.
  • EDM Electrical Discharge Machining
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a method for producing a cooled component mentioned at the outset
  • Essential for the invention is that not only the component in its basic configuration, but also the cooling supply channels are produced by casting.
  • the cooling supply channels are produced directly in terms of casting technology in their final geometry.
  • the cooling supply channels are first manufactured by casting with a smaller cross-section and then brought by machining with a tool to its final cross-sectional geometry. In the latter case, corrections can be made and precise adjustments made to the cooling air flows.
  • the component manufactured according to this method is a gas turbine stator vane equipped with a platform.
  • the component may also be a heat shield of the gas turbine equipped with a platform.
  • FIG. 1 in perspective view a section of an exemplary
  • FIG. 2 is a plan view from above of the guide blade of FIG. 1, in which the cooling supply ducts according to the invention are produced by casting using corresponding core sections;
  • FIG. 2 is a plan view from above of the guide blade of FIG. 1, in which the cooling supply ducts according to the invention are produced by casting using corresponding core sections;
  • Fig. 3 shows schematically the subsequent mechanical post-processing of the casting technology produced cooling supply channels according to an embodiment of the invention
  • FIG 4 shows an illustration of an integral cooling of the guide blade with the integration of the cooling supply channels focused in the preceding figures.
  • the Guide vane 10 of a gas turbine are explained, as it has already been described.
  • Essential for the cooling of the platform 12 of the Guide vane 10 are extending in the platform 12 cooling supply channels 15 through which cooling air is led to the cooling holes necessary for the film cooling during operation.
  • the cooling supply channels 15 may be laterally open, as shown in Fig. 1. But they can also be closed at the ends later, if a cooling connection with adjacent components is not desirable.
  • cooling supply channels 15 are now produced by casting in accordance with the invention in their basic configuration, in which the core, which is in any case required to form the cavities in the interior of the blade, is widened by the core sections 16 indicated hatched in FIG.
  • cooling supply channels 15a are thereby produced whose diameter d1 or their cross-sectional areas already have the final dimension, and therefore do not have to be further processed. In this way, a considerable amount of time and work can be avoided, with a subsequent
  • cooling supply channels eg., By EDM
  • FIG. 4 shows an integral cooling of the vane, with the inclusion of the specially produced cooling supply ducts, as described in the preceding figures.
  • the platform 12 is subjected to a baffle cooling.
  • a gap 21 is provided, and formed by a plate 20, the holes 23 is penetrated, which are configured suitable for an impact cooling 22.
  • the impinging on the platform 12 cooling air jets are shown in the sense of an ongoing impact cooling. Thereafter, this cooling air flows (see arrow) through the already mentioned cooling supply channels 15, which are laterally formed with a closure 24.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10) einer Gasturbine, welches Bauteil (10) eine dem Heissgas der Gasturbine ausgesetzte, thermisch hoch belastete Plattform (12) aufweist, durch welche in der Plattformebene liegende Kühlversorgungskanäle (15), die zur Versorgung von an einer Oberfläche der Plattform (12) in einem Auslass (18) mündenden und für eine Filmkühlung der Plattformoberfläche eingesetzten Kühlbohrungen (17) vorgesehen sind, verlaufen, bei welchem Verfahren das Bauteil (10) in einem Giessverfahren hergestellt wird. Bei einem solchen Verfahren wird der Bearbeitungsaufwand dadurch deutlich reduziert, dass die Kühlversorgungskanäle (15) ebenfalls giesstechnisch hergestellt werden.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES BAUTEILS EINER GASTURBINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Gasturbinen werden zur Steigerung des Wirkungsgrades für immer höhere Betriebstemperaturen ausgelegt. Besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt sind dabei vor allem die Bauteile bzw. Bauelemente im Bereich der Brennkammer sowie die Lauf- und Leitschaufeln der nachfolgenden Turbine einschliesslich der übrigen, den Heissgaskanal begrenzenden Elemente. Die auftretenden thermischen Belastungen lassen sich wirkungsvoll begegnen, wenn einerseits besonders widerstandsfähige Werkstoffe, wie z.B. Nickelbasislegierungen, eingesetzt werden. Andererseits müssen zusätzlich Massnahmen zur Kühlung der Bauelemente ergriffen werden, wobei unterschiedliche Kühlungsmethoden, wie z.B. die Filmkühlung oder die Prallkühlung, Anwendung finden.
Aus der EP-A2-1 138 878 ist ein plattenförmiger, auskragender Bauteilabschnitt einer Gasturbine bekannt, dessen eine Seite vom Heissgas der Gasturbine beaufschlagt wird, und der in der Plattenebene von Kühlversorgungskanälen durchsetzt ist (Fig. 1 und 2 der Druckschrift), die von einem grosseren Plenum im Inneren des Bauteils ausgehen und mit Kühlluft versorgt werden, und von denen eine Vielzahl von Kühlbohrungen abgehen, die an der Oberfläche des Bauteilabschnitts in den Aussenraum münden und durch die Kühlluft zur Filmkühlung der Oberfläche nach aussen abgeblasen wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil eine Leitschaufel einer Gasturbine und der Bauteilabschnitt ist eine an der Schaufel angeformte, den Heissgaskanal der Turbine begrenzende Plattform.
Eine entsprechende Bauteilkonfiguration ist in Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben: Die Leitschaufel 10 der Fig. 1 , die nur ausschnittweise dargestellt ist, umfasst ein Schaufelblatt 1 1 , das am einen Ende in eine quer zur
Schaufellängsrichtung orientierte Plattform 12 übergeht. Im eingebauten Zustand ist die Oberseite dieser Plattform 12 vom Heissgas der Turbine beaufschlagt, das in Richtung des Pfeils von einer Vorderkante 13 der Schaufel am Schaufelblatt 1 1 entlang zu einer Hinterkante 14 strömt.
Die Plattform 12 wird im Beispiel der Fig. 1 überwiegend durch eine Filmkühlung gekühlt, bei der über die belastete Oberfläche der Plattform 12 verteilt Kühlluft nach aussen abgeblasen wird und auf der Oberfläche einen kühlenden Film bildet. Dazu sind beispielsweise in Strömungsrichtung gestaffelt mehrere Reihen von schräg verlaufenden Kühlbohrungen 17 vorgesehen, deren Auslässe 18 auf der Oberfläche der Plattform 12 angeordnet sind. Die Kühlbohrungen 17 werden reihenweise über quer dazu verlaufende (in Fig. 1 gestrichelt angedeutete) Kühlversorgungskanäle 15 mit unter Druck stehender Kühlluft versorgt, die aus einem im Inneren der Schaufel befindlichen, in Fig. 1 nicht dargestellten Plenum entnommen wird.
Nach Angaben der Druckschrift werden die Kühlversorgungskanäle 15 nachträglich durch ein Funkenerosionsverfahren (EDM oder Electrical Discharge Machining) in das fertige Gussstück eingebracht. Hierdurch entsteht jedoch ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand, der Zeit kostet und zusätzliche Kosten verursacht. Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines eingangs genannten gekühlten Bauteils einer
Gasturbine anzugeben, welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und sich unter anderem durch erhebliche Zeit- und Kostenvorteile auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass nicht nur das Bauteil in seiner Basiskonfiguration, sondern auch die Kühlversorgungskanäle giesstechnisch hergestellt werden.
Hierbei kann auf unterschiedliche Weise vorgegangen werden: In einem Fall werden die Kühlversorgungskanäle direkt in ihrer endgültigen Geometrie giesstechnisch hergestellt. Im anderen Fall werden die Kühlversorgungskanäle zunächst mit einem kleineren Querschnitt giesstechnisch hergestellt und anschliessend durch maschinelle Bearbeitung mit einem Werkzeug auf ihre endgültige Querschnittsgeometrie gebracht. Im letztgenannten Fall lassen sich so Korrekturen vornehmen und genaue Einstellungen an den Kühlluftströmen erzielen.
Vorzugsweise ist das Bauteil, welches nach diesem Verfahren hergestellt wird, eine mit einer Plattform ausgestattete Leitschaufel der Gasturbine. Das Bauteil kann aber auch ein mit einer Plattform ausgestattetes Hitzeschild der Gasturbine sein. Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt einer beispielhaften
Gasturbinen-Leitschaufel, wie sie zur Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 in der Draufsicht von oben die Leitschaufel aus Fig. 1 , bei der die Kühlversorgungskanäle gemäss der Erfindung durch den Einsatz von entsprechenden Kernabschnitten giesstechnisch erzeugt werden;
Fig. 3 schematisch die nachträgliche maschinelle Nachbearbeitung der giesstechnisch hergestellten Kühlversorgungskanäle gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 4 eine Darstellung über eine integrale Kühlung der Leitschaufel unter Einbindung der in den vorgehenden Figuren fokussierten Kühlversorgungskanäle.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung soll am Beispiel der in Fig. 1 im Ausschnitt dargestellten
Leitschaufel 10 einer Gasturbine erläutert werden, wie sie eingangs bereits beschrieben worden ist. Wesentlich für die Kühlung der Plattform 12 der Leitschaufel 10 sind die in der Plattform 12 verlaufenden Kühlversorgungskanäle 15, durch die im Betrieb Kühlluft zu den für die Filmkühlung notwendigen Kühlbohrungen geführt wird. Die Kühlversorgungskanäle 15 können seitlich offen sein, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Sie können aber auch an den Enden nachträglich verschlossen werden, wenn eine kühltechnische Verbindung mit benachbarten Bauteilen nicht erwünscht ist.
Die Kühlversorgungskanäle 15 werden nun gemäss der Erfindung in ihrer Grundkonfiguration giesstechnisch hergestellt, in dem der zur Ausbildung der Hohlräume im Inneren der Schaufel ohnehin benötigte Kern durch die in Fig. 2 schraffiert angedeuteten Kernabschnitte 16 erweitert wird. Im einfachsten Fall werden dadurch Kühlversorgungskanäle 15a erzeugt, deren Durchmesser d1 bzw. deren Querschnittsflächen bereits das endgültige Mass aufweisen, und deshalb nicht weiter nachbearbeitet werden müssen. Auf diese Weise kann ein erheblicher Aufwand an Zeit und Arbeit vermieden werden, mit dem ein nachträgliches
Einbringen der Kühlversorgungskanäle (z. B. durch EDM) in das gusstechnisch fertig gestellte Bauteil verbunden ist.
Es ist aber auch denkbar, gemäss Fig. 2 die Kühlversorgungskanäle 15a zunächst mit einem kleineren Durchmesser d1 bzw. einer kleineren Querschnittsfläche und Verlauf giesstechnisch herzustellen, und dann die Kanäle gemäss Fig. 3 mit einem geeigneten Werkzeug 19 nachzubearbeiten, so dass schliesslich Kühlversorgungskanäle 15 mit dem gewünschten grosseren Durchmesser d2 bzw. einer grosseren Querschnittsfläche resp. mit einem gezielt erwünschten Verlauf entstehen. Diese maschinelle Nachbearbeitung kann gleichzeitig dazu benutzt werden, um Korrekturen durchzuführen, wenn die Strömungsverhältnisse im Inneren des Bauteils einen anderen als den ursprünglich geplanten Querschnitt resp. Verlauf erfordern. Es ist also hier deshalb ohne weiteres möglich, den Querschnitt und den Verlauf der Kühlversorgungskanäle, ausserhalb der giesstechnischen Möglichkeiten, individuell zu gestalten resp. anzupassen. Insgesamt wird die Herstellung des Bauteils weniger aufwändig ausfallen, weil der Prozessschritt, mit dem die Kühlversorgungskanäle nach dem Giessen in die Plattform eingebracht werden, vollständig eingespart bzw. durch eine weniger aufwändige maschinelle Nachbearbeitung ersetzt werden kann.
Fig. 4 zeigt schliesslich eine integrale Kühlung der Leitschaufel, unter Einbindung der speziell hergestellten Kühlversorgungskanäle, wie sie in den vorgehenden Figuren beschrieben worden sind. Zunächst ist es so, dass vorgängig der Überströmung der Kühlluft resp. des Kühlmediums 22 in die Kühlversorgungskanäle 15 die Plattform 12 einer Prallkühlung unterworfen wird. Zu diesem Zweck wird ein Zwischenraum 21 vorgesehen, und durch eine Platte 20 gebildet, die Bohrungen 23 durchsetzt ist, welche für eine Prallkühlung 22 tauglich ausgestaltet sind. Die auf die Plattform 12 auftreffenden Kühlluftstrahlen sind im Sinne einer stattfindenden Prallkühlung dargestellt. Danach strömt diese Kühlluft (siehe Pfeil) durch die bereits erwähnten Kühlversorgungskanäle 15, welche seitlich mit einem Verschluss 24 ausgebildet sind. Entlang dieser Kühlluftkanale 15 sind verschiedene durchgehende Kühlbohrungen 17 vorgesehen, welche in schräger Strömung die gegenüberliegende Plattform des Bauteils 10 durchstossen. Mit dieser Massnahme wird sicher gestellt, dass zum einen eine integrale kaskadenförmige, also sequentielle Kühlung vorgenommen wird, welche besonders intensiv bei minimierten Kühlluftmenge ausfällt. Zum anderen werden die beiden Plattformen 12, 25 des Bauteils 10 in äquivalenter Masse gekühlt, womit eine hohe Materialstabilität gewährleistet wird, und gewichtig gegen Verwerfungen und Spannungen wirkt, insbesondere wenn zwischen den beiden Plattformen 12, 25 dünne und lange Schaufelblätter 1 1 vorgegeben sind. Mindestens die erste Plattform 12 kann auch konvektiv gekühlt werden, wobei auch eine Kombination von den beiden Kühlungsarten vorgenommen werden kann. Bezugszeichenliste
10 Bauteil, Leitschaufel
1 1 Schaufelblatt
12 Plattform
13 Vorderkante
14 Hinterkante
15 Kühlversorgungskanal
15a Kühlversorgungskanal (wie gegossen)
16 Kernabschnitt
17 Kühlbohrung
18 Auslass (Kühlbohrung)
19 Werkzeug
20 Platte
21 Zwischenraum
22 Kühlmedium
23 Bohrung
24 Verschluss
25 Plattform

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10) einer Gasturbine, welches Bauteil (10) mindestens eine dem Heissgas der Gasturbine ausgesetzte, thermisch hoch belastete Plattform (12) aufweist, durch welche in der Plattformebene liegende Kühlversorgungskanäle (15, 15a), die zur Versorgung von an einer Oberfläche der Plattform (12) in einem Auslass
(18) mündenden und für eine Filmkühlung der Plattformoberfläche eingesetzten Kühlbohrungen (17) vorgesehen sind, verlaufen, bei welchem
Verfahren das Bauteil (10) in einem Giessverfahren hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlversorgungskanäle (15, 15a) ebenfalls giesstechnisch hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Kühlversorgungskanäle (15a) direkt in ihrer endgültigen Geometrie und in ihrem endgültigen Verlauf giesstechnisch hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlversorgungskanäle (15) zunächst mit einem kleineren Querschnitt (d1 ) giesstechnisch hergestellt werden, und dass die Kühlversorgungskanäle (15) anschliessend durch maschinelle Bearbeitung mit einem Werkzeug
(19) auf ihre endgültige Querschnittsgeometrie (d2) gebracht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maschinelle Bearbeitung Querschnitt und Verlauf der Kühlversorgungskanäle (15) anpasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine mit einer Plattform (12) ausgestattete Leitschaufel
(10) der Gasturbine ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein mit einer Plattform ausgestattetes Hitzeschild der Gasturbine ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine erste und eine zweite Plattform (12, 25) aufweist, dass die erste Plattform (12) über einen stromauf der Kühlversorgungskanäle (15) angeordneten Zwischenraum (21 ) durch eine
Prallkühlung und/oder Konvektivkühlung mit einem Kühlmedium (22) gekühlt wird, dass dieses Kühlmedium anschliessend die Kühlversorgungskanäle (15) durchströmt, und über weitere von den Kühlversorgungskanälen (17) abzweigende Kühlbohrungen (17) die zweite Plattform (25) kühlt.
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