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Dokumentenidentifikation DE19917611A1 26.10.2000
Titel Verfahren zur Herstellung von Kühlluftbohrungen und Schlitzen an mit Heissgas beaufschlagten Teilen thermischer Turbomaschinen
Anmelder ABB ALSTOM POWER (Schweiz) AG, Baden, Aargau, CH
Erfinder Beeck, Alexander, Dr., 79790 Küssaberg, DE;
Semmler, Klaus, 79787 Lauchringen, DE;
Weigand, Bernhard, Dr., 79787 Lauchringen, DE
Vertreter Lück, G., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 79761 Waldshut-Tiengen
DE-Anmeldedatum 19.04.1999
DE-Aktenzeichen 19917611
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse B23B 35/00
IPC-Nebenklasse B24C 1/00   F01D 5/18   B26F 3/00   
Zusammenfassung Zur Herstellung von Kühlluftbohrungen oder Schlitzen an mit Heißgas beaufschlagten Teilen thermischer Turbomaschinen wird eine Wasserstrahltechnik verwendet. Durch diese Verwendung wird ein Wiederaufschmelzen und eine Rissbildung am Grundmaterial durch eine Vermeidung der unerwünschten Temperaturerhöhung erreicht. Beispielsweise lassen sich die Winkel von Kühlluftbohrungen an Turbinenschaufeln von Gasturbinen damit wesentlich spitzer, kleiner als 10° zur Wand der Turbinenschaufel, gestalten. Eine Filmkühlung an der Oberfläche der Turbinenschaufel wird deutlich effektiver.

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Kühlluftbohrungen und Schlitzen an mit Heissgas beaufschlagten Teilen thermischer Turbomaschinen.

STAND DER TECHNIK

Es ist seit langem bekannt, mit Heissgas beaufschlagte Teile thermischer Turbomaschinen, also beispielsweise Turbinenschaufeln von Gasturbinen, mit Kühlluftbohrungen zu versehen, um einerseits die Temperatur des Heissgases erhöhen zu können und andererseits die Lebensdauer der betroffenen Teile zu verlängern. Zum einen wird die Innenseite beispielsweise der Turbinenschaufel mit der Kühlluft durch Abfuhr der Wärme nach aussen gekühlt. Zum anderen wird die Aussenseite der Schaufel durch einen Film, welcher sich an der Oberfläche der Turbinenschaufel bildet, gekühlt. Es ist dabei Ziel, die Filmkühlung so effektiv wie möglich zu gestalten und gleichzeitig die Kühlluftmenge zu reduzieren.

Gasturbinenschaufeln, welche mit einer Filmkühlung arbeiten, sind beispielsweise aus den Druckschriften DE-43 28 401 A, US-4,653,983, US-2,780,435, DE 19 46 535 B2 bekannt.

Üblicherweise werden die Kühlluftbohrungen bei dem erwähnten Stand der Technik mit einer Lasertechnik oder mit einem Abtragungsverfahren durch Erodieren hergestellt. Lasergestützte Verfahren sind beispielsweise aus den Druckschriften US 5,683,600, US 5,609,799 und US 5,216,808 bekannt, ein Verfahren, welches mit einer Elektrode erodiert, aus der Patentschrift US 4,197,443. Die mit diesen Verfahren hergestellten Kühlluftbohrungen haben aber den Nachteil, dass es bei der Anwendung durch lokale Temperaturerhöhungen zu einem Wiederaufschmelzen des Basismaterials kommt, was zu unerwünschten Oberflächenrauheiten führt. Diese Unebenheiten können zu Rissen im Grundmaterial führen, welche eine Vorschädigung des Materials und eine verringerte Lebensdauer bedeuten. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um ein gerichtet erstarrtes Grundmaterial handelt und durch komplexere Geometrien (wie zum Beispiel die in der Druckschrift US-4,653,983 ausgeführten konischen Ausgänge der Kühlluftbohrungen) höhere Bearbeitungszeiten notwendig werden. Zudem bedeuten die Oberflächenrauhigkeiten bei komplizierten Kühlluftbohrungen eine ungewünschte Störung der Kühlluftströmung. Nachteilig am bekannten Stand der Technik, bei welchem die Kühlluftbohrungen in die Wand der Turbinenschaufel integriert sind, ist, dass trotz des gewünschten Kühleffektes, welcher einen kleineren Winkel erfordern würde, lediglich ein Winkel von ungefähr 35° oder mehr der eigentlichen Kühlluftbohrung zur Wand der Turbinenschaufel realisiert ist, da es nur unter erschwerten Bedingungen mit den bisher gängigen Herstellungsverfahren möglich ist, diesen Winkel zu verringern. Bei den erwähnten Schriften US 2,780,435 oder DE 43 28 401 A1 wird das Ziel eines kleineren Winkels lediglich mit einer Hilfskonstruktion erreicht.

In Dichtstreifen am Rotor einer Gasturbine, welche die Kühlluft vom Heissgas an den Plattformen der Gasturbinenschaufeln trennt und welche durch die genannten Herstellungsverfahren mit Schlitzen versehen werden, können die Risse, welche durch das Wiederaufschmelzen und die dadurch bedingte Temperaturerhöhung auftreten, höhere Leckageverluste verursachen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Ziel dieser Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden. Die Erfindung löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Kühlluftbohrungen an mit Heissgas beaufschlagten Teilen thermischer Turbomaschinen zu schaffen, mit welchem sich ein Winkel der Kühlluftbohrung von 35° oder kleiner, vorteilhaft sogar kleiner 10°, zur Wand des mit Heissgas beaufschlagten Teils erreichen lässt, um eine effektivere Filmkühlung bei verringerter Kühlluftmenge an der Oberfläche des mit Heissgas beaufschlagten Teils zu erzielen. Auch soll es mit der Erfindung vereinfacht möglich sein, nicht parallele Schlitze in den Plattformen der mit Heissgas beaufschlagten Teile herzustellen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Kühlluftbohrungen oder die Schlitze durch eine Wasserstrahltechnik hergestellt werden.

Vorteilhaft können die Kühlluftbohrungen mit der Wasserstrahltechnik auch mit einem Winkel zur Wand von 10° oder kleiner in der Wand angeordnet werden. Durch die Verwendung der Wasserstrahltechnik werden weitere Vorteile erreicht. Die unerwünschte Erhöhung der Temperatur während der Herstellung, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist, entfällt, bei gleichzeitig wesentlich glatteren Oberflächen. Die Wasserstrahltechnik sorgt zudem dazu, dass abgetragendes Material mit dem Wasser weggespült wird, was bedeutet, dass sich keine feinen Teilchen an den bearbeiteten Komponenten festsetzen können. Der flache Winkel, welcher mit der Wasserschneidetechnik erzeugt werden kann, sorgt bei einer verringerten Kühlluftmenge für eine wesentlich verbesserte Filmkühlung an der Oberfläche des mit Heissgas beaufschlagten Teils und führt damit auch zu einem erhöhten Wirkungsgrad der gesamten Turbomaschine.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kühlluftbohrungen und Schlitzen an mit Heissgas beaufschlagten Teilen thermischer Turbomaschinen. Erfindungsgemäss wird dazu eine Wasserstrahltechnik verwendet. Die Verwendung der Wasserstrahltechnik zeichnet sich durch verschiedene Vorteile gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Lasertechnik bzw. dem bekannten Erodieren beispielsweise mittels Formelektroden aus. Bei der Wasserschneidetechnik treten keine unerwünschten Temperaturerhöhungen während der Bearbeitung auf. Darum eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere dann, wenn höhere Schneidezeiten an den Heissgasteilen notwendig sind. Die bearbeiteten Flächen weisen deutlich geringere Oberflächenrauhheiten auf, was vorteilhaft zu einer gleichmässigeren Strömung des entstehenden Kühlfilms führt. Auch treten keine Risse mehr in dem Basismaterial auf. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil in der Festigkeit und der Lebensdauer des Bauteils dar, insbesondere dann, wenn das Bauteil aus einem gerichteten erstarrten Material besteht. Die Wasserschneidetechnik zeichnet sich im Vergleich mit lasergebohrten Kühlluftbohrungen auch durch eine wesentlich grössere Flexibilität im Hinblick auf die Ausgestaltung von komplexen Geometrien aus, da auch längere Bearbeitungszeiten ohne unerwünschtes Wiederaufschmelzen und ohne das Auftreten von Rissen im Basismaterial möglich sind. Es ist dadurch beispielsweise auch vereinfacht möglich, mit einer zylindrischen Kühlluftbohrung einen wünschenswerten Diffusoreffekt zu erzielen. Die Wasserstrahltechnik sorgt zudem dafür, dass abgetragendes Material mit dem Wasser weggespült wird, was bedeutet, dass sich keine feinen Teilchen an den bearbeiteten Komponenten festsetzen können.

Die Kühlluftbohrungen können mit der Wasserstrahlscheidetechnik unter einem wesentlich geringerem Winkel (kleiner als 35°, vorteilhaft sogar kleiner als 10° zur Wand des Heissgasteils) an den Komponenten angebracht werden. Dies bedeutet, dass eine Filmkühlung auf der Oberfläche der mit Heissgas beaufschlagten Teile bei weniger eingesetzter Kühlluft deutlich effektiver wird. So erhöht sich insgesamt der Wirkungsgrad der thermischen Turbomaschine.

Es ist beispielsweise denkbar, das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Kühlluftbohrungen an Turbinenschaufel von Gasturbinen, zur Herstellung von nicht parallelen Kühlluftschlitzen an Plattformen von Gasturbinenschaufeln oder zur Herstellung von Schlitzen in Dichtstreifen am Rotor einer Gasturbine, welche die Kühlluft vom Heissgas an den Plattformen der Gasturbinenschaufeln trennt, einzusetzen. Bei Dichtstreifen lassen sich durch die wesentlich höhere Oberflächengüte die Leckageverluste reduzieren und die Lebensdauer vorteilhaft erhöhen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Kühlluftbohrungen oder Schlitzen an mit Heissgas beaufschlagten Teilen thermischer Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftbohrungen oder die Schlitze durch eine Wasserstrahltechnik hergestellt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Heissgas beaufschlagten Teile Gasturbinenschaufeln einer Gasturbine sind und mit der Wasserstrahltechnik Kühlluftbohrungen hergestellt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wasserstrahltechnik Kühlluftbohrungen der Gasturbinenschaufeln hergestellt werden, welche Winkel kleiner als 35° zur Wand der Gasturbinenschaufel aufweisen.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wasserstrahltechnik Kühlluftbohrungen der Gasturbinenschaufeln hergestellt werden, welche einen Winkel kleiner als 10° zur Wand der Gasturbinenschaufel aufweisen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Heissgas beaufschlagten Teile Plattenformen von Gasturbinenschaufeln sind und mit der Wasserstrahltechnik Kühlschlitze hergestellt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Heissgas beaufschlagten Teile Dichtstreifen vom Rotor einer Gasturbine sind und mit der Wasserstrahltechnik Schlitze darin hergestellt werden.






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