Verfahren zur Herstellung einer beschaufelten Turbinenrotorscheibe für Gasturbinenanlagen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Tur- binenrotorscheibe mit Schaufeln für Gastur binenanlagen.
In solchen Anlagen wird be kanntlich mit Brennstoff vermischte, kom primierte Luft verbrannt, wobei die Ener gie der heissen IIochdruckverbrennungsgase zum Antrieb des Turbinenrotors verwen det wird, in dem diese Gase mittels eines oder mehrerer stationärer Leitschaufelkränze einem oder mehreren Turbinenrotorschaufel- kränzen zugeführt werden, welche dabei Ar beit leisten. Der Wirkungsgrad solcher Tur binen ist durch die Maximaltemperatur be grenzt, bei welcher die heissen Verbrennungs gase der ersten Turbinenstufe zugeführt wer den.
Diese Begrenzung ist bedingt durch die Warmfestigkeit und Korrosionsfestigkeit des Materials der Turbinenschaufeln, welche mit grosser Umfangsgeschwindigkeit rotieren und dabei relativ grosse Belastungen erfahren.
Der thermische Wirkungsgrad jeder Tur bine steigt mit der Temperatur der in die erste Stufe einströmenden Verbrennungsgase.
Das für solche T'urbinenschaufelungeri verwendete Material ist üblicherweise eine Legierung auf Kobaltbasis, die etwa 60 % Kobalt, etwa 20 % Chrom, etwa 5 % Nickel und einige weitere Zusätze enthält. Die -Warmfestigkeit solchen Materials, wenn es für eine minimale Lebensdauer vorgesehen ist, übersteigt 800 C nicht, weshalb Gastur binen bisher nur mit Verbrennungsgasen von einer höchstens 800 C erreichenden Tem peratur betrieben wurden.
Es sind verschiedene korrosionsfeste Ma terialien bekannt, welche eine bedeutend grö ssere Korrosionsfestigkeit aufweisen als Me tallegierungen der vorgenannten Art und welche eine genügend grosse Bruchfestigkeit aufweisen, um als Material zur Herstellung von Turbinenschaufeln verwendet werden zu können. Solche Materialien sind zum Beispiel gesinterte Titaniumkarbide.
Man nahm jedoch bisher allgemein an, dass es unmöglich sei, gesinterte korrosionsfeste Materialien für Gasturbinenschaufeln zu ver wenden, die mit Drehzahlen bis 20 0001 T/Miu. rotieren, da diese bekannten Materialien zu wenig dehnbar sind.
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Feststellung, dass trotz der genann ten Eigenschaften die, bekannten gesinterten korrosionsfesten Materialien auch zur Her stellung von Gasturbinenschaufeln verwendet werden können, vorausgesetzt, dass der Tur binenrotor nur einen kleinen Durchmesser, zum Beispiel 30 bis 40 cm, aufweist, und dass die Schaufeln ebenso wie die Rotorscheibe selbst aus gesintertem, pulverförmigem Ma terial hergestellt sind, wobei die Schaufeln. durch Sintern mit der Rotorscheibe verbun den werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll vor allem ermöglichen, einen Turbinenrotor zu schaffen, dessen Rotorscheibe und Schaufeln aus einem korrosionsfesten, gesinterten Mate rial bestehen und der trotz der geringen Dehnbarkeit dieses Materials den im Betrieb auftretenden Beanspruchungen gewachsen ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe und die )Schaufeln getrennt durch Sinterung aus pulverförmigem Material hergestellt wer den, wobei ein Umfangsteil der Rotorscheibe mit Ausnehlnungen zur Aufnahme der Schau felfüsse versehen und so ausgebildet wird, dass, wein Schaufelfuss und'Scheibenumfangs- teil gemeinsam der gleichen 'Sinterimgsbe- handlung unterworfen werden,
die Schaufel füsse weniger schrumpfen als der Scheiben umfangsteil, dass dann die \Schaufeln mit ihren Füssen in die Ausnehmungen der Ro- torscheibe eingesetzt werden, und dass an schliessend das so zusammengesetzte Gebilde bei einer Temperatur gesintert wird, bei wel cher der Umfangsteil der Rotorscheibe stär ker schrumpft als die Füsse der ',Schaufeln, wodurch der genannte Umfangsteil auf die Schaufelfüsse aufgeschrumpft und letztere in den Ausnehmungen des Rotorscheibeniun- fangsteils festgeklemmt werden.
Das Verfahren nach, der Erfindung ist anschliessend an Hand der beiliegenden Zeich nung beispielsweise näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch einenTeil einer nach dem erfindungsgemässen Verfah ren hergestellten Rotorscheibe, die Verbin dungsstelle zwischen einer Schaufel und der Rotorscheibe zeigend, Fig.2 eine Draufsicht zu Fig.1 mit ge schnittener.
.Schaufel und Fig.3 und 4 Schnitte gemäss Fig.1, je eine Variante einer nach dem erfindungs gemässen Verfahren hergestellten R.otor- scheibe zeigend.
In den Fig.1 und 2 sind Teile einer zum Einbau in eine Gasturbinenanlage bestimm ten Turbinenrotorscheibe gezeichnet, die aus gesintertem, pulverförmigem Material, zum Beispiel aus Titaniumkarbid, besteht und an deren -Umfang vorfabrizierte 'Schaufeln aus gleichem oder einem ähnlichen Material be festigt sind;
das Material wird so gewählt, dass Schaufeln und Rotorscheibe in der Heik;- gaszone der Gasturbinenanlage bei Gastem peraturen von mehr als '800 C bis zu 1O0 C und 1600 C noch arbeitsfähig bleiben, wobei sie mit Drehzahlen rotieren, die bei 20 000 bis 310- 000 TIMin. oder höher liegen, ohne dass dabei die Streckgrenze des Materials bei den grossen Betriebsbelastungen überschritten wird.
Der Umfangsteil 41 der Rotorscheibe 12 wird bei der durch ISinterung erfolgenden Herstellung der 'Scheibe mit einer Mehrzahl von axial verlaufenden, gleich ausgebildeten Nuten 42 versehen, welche durch Vorsprünge 43 voneinander getrennt sind. Jede Schaufel 22 (nur eine gezeichnet) erhält bei ihrer ebenfalls durch :Sinterung erfolgenden Her stellung einen Fuss 27, der annähernd ebene, nach dem Fussende zusammenlaufende Ver bindungsflächen aufweist, welche zum Zu sammenwirken mit entsprechenden Verbin dungsflächen der Nuten 42. bestimmt sind.
Bei der in Fig.3 gezeigten Variante wird der nach unten seinem freien Ende hin sich ver jüngende Schaufelfussteil 27 jeder Schaufel 2.2 mit zusätzlichen runden Vorsprüngen ver sehen, welche beim Einsetzen der 'Schaufeln in den Umfangsteil 41 in entsprechende Ver tiefungen der Seitenwände der Nuten 42 ein greifen. Fig.4 zeigt eine weitere Variante einer beschaufelten Turbinenrotorscheibe, bei welcher der Schaufelfuss 27 bei der Herstel lung der Schaufel mit einem verdickten, ab gerundeten Ankerkopf 27a versehen wird, der bei in den 'Scheibenumfangsteil eingesetzter Schaufel in einen entsprechend geformten Teil der Nut 42 eingreift.
Wie erwähnt, werden die Rotorscheibe und die Schaufeln getrennt durch Sinterung her gestellt, worauf man die .Schaufeln 22 mit ihrem Fuss 27 in die Nuten 42 am Umfangs teil 41 der Scheibe einsetzt. Die Verbindung zwischen Rotorscheibe und -Schaufeln wird dadurch hergestellt, dass man das aus Scheibe und Schaufeln zusammengesetzte Gebilde einer 'Sinterimg bei hoher Temperatur unter wirft, bei welcher Rotorscheibe und Schau feln eine unterschiedliche Schrumpfung er- leiden, und zwar so,
dass der Umfangsteil 41 der Rotorscheibe auf die Schaafelfüsse 27 auf geschrumpft wird, wodurch die letzteren im Scheibenkörper festgeklemmt werden, wäh rend an den Verbindungsflächen der 'Schau felfüsse und Nuten eine Sinterverbindung her gestellt wird.
Die unterschiedliche :Schrumpfung der Rotorscheibe und der Schaufelfüsse kann auf die verschiedensten Arten erzielt werden.
So können zum Beispiel die Vorsprünge 43 zwischen den Nuten 42 der Rotorscheibe 12: dicker gemacht werden als die Schaufel füsse 27, so dass beim Erwärmen des Gebil des auf Sintertemperatur das grössere Vo lumen der Vorsprünge 43 stärker schrumpft als der Schaufelfuss 2.7 der 'Schaufel 22. Somit wird der Umfangsteil 41 der Scheibe 12, der eine grössere @Sehrumpfung erfährt als die Schaufelfüsse 27, auf die letzteren aufge schrumpft, wodurch die Schaufelfüsse fest geklemmt werden und zwangläufig eine feste Verbindung zwischen 'Schaufelfuss und Scheibe erzielt wird, ohne dass die zu ver bindenden Teile unzulässigen Spannungen ausgesetzt werden.
Anderseits kann das für die ;Schaufeln 22 oder nur für deren Fuss 27 verwendete Ma terial so gewählt Lind geformt werden, dass der Umfangsteil 41 der iScheibe 1'2 stärker schrumpft als der 'Schaufelfuss.
Wenn zum Beispiel das gleiche Material für die Herstel lung der Scheibe Lind der 'Schaufel gewählt wird, kann der Schaufel oder ihrem Fuss eine geringere Porosität gegeben werden, als sie der .Scheibenkörper besitzt, Lmd zwar kann diese Massnahme schon beim vorausgehenden Pressen des pulverförmigen Materials und/ oder durch eine Vorsinterung erreicht wer den. Ferner kann für die ,Schaufeln ein an deres Material verwendet werden als für die Scheibe, das eine geringere 'Schrumpfung auf weist als das Material der Scheibe.
In jedem Fall wird, wenn die Rotor seheibe T2 zusammen mit den in die Nuten 42 eingesetzten Schaufelfüsse 27 der Schau feln 22 einer SinterLmg bei hoher Tempera tur ausgesetzt wird, welche eine ,bestimmte Sclirumpfiuig der Scheibe und der Schau feln bewirkt, die grössere Schrumpfung des Umfangsteils 41 der iScheibe bewirken, dass dieser Umfangsteil auf die Schaufelfüsse auf geschrumpft wird, während die letzteren @im Scheibenrand festgeklemmt werden, da sie eine geringere Schrumpfung erfahren.
Da durch wird eine einwandfreie, feste Verbin dung zwischen den Schaufelfüssen tnid der Rotorscheibe hergestellt, während gleichzeitig die SinterLmg unabhängig von der genannten Klemmverbindung eine zusätzliche feste Ver bindung zwischen den Schaufelfüssen und dem Umfangsteil der Rotorseheibe schafft.
Um dem Fachmann die Herstellung der beschriebenen Elemente zu erleichtern, ist anschliessend ein praktisches Ausführungsbei spiel des Herstellungsverfahrens angeführt, welches eine äusserst feste Verbindung ewi- sehen Turbinenschaufelfüssen aus gesintertem pulverförmigem -Material mit der Turbinen- rotörscheibe aus ähnlichem, gesintertem Ma terial ergibt.
Aus einem Pulver von geeigneter Korn grösse, das aus etwa 6<B>0</B> % Titankarbid, 32 % Nickel und 8 "/a Chrom besteht, werden durch Kaltpressen in überdimensionierten Formen bei einem Druck von etwa 300 bis 3000 kgicm2 Rohlinge entsprechend der Form der ;Schau feln 22. und der Rotorscheibe 12 hergestellt.
Bei der Herstellung der Formen muss der Formgebung der Schaufeln und der Schrump fung der Schaufeln und der Rotorscheibe bei der Sinterung oder einer andern eventuell vorgesehenen Wärmebehandlung Rechnung . getragen werden.
Die :Schaufelrohlinge und der Rotorschei- benroli-ling werden dann während etwa@1'5 Mi nuten bei einer Temperatur von 1100 C bis 250011 C vorgesintert, so dass Werkstücke er halten werden, die genügend fest sind, um leicht in der üblichen Weise bearbeitet Emd atü die endgültige Form gebracht werden zu können.
Die ,Schaufelrohlinge werden dabei etwas länger vorgesintert als der Schei benrohling, der zLim Beispiel während 12 bis 13 'Minuten vorgesintert wird, um ihm eine etwas grössere Porosität bzw. eine geringere Dichte zu geben.
Anschliessend an die beschriebene Form gebung werden die Schaufelfüsse der vorge- sinterten Schaufeln in die Randnuten der ebenfalls vorgesinterten Rotorscheibe einge setzt.
Dieses zusammengesetzte Gebilde wird dann während 5 bis 50 Stunden einer Sin- terung bei etwa 1b00 C bis 2500 C unter worfen.
Durch diese Endsinterung erhalten sowohl die Rotorscheibe als auch die an ihr befestigten 'Schaufeln. die gewünschten Eigen schaften des Endproduktes und die Schau feln werden dabei am Umfangsteil der R.o- torscheibe durch Sinterverbindung befestigt. Da die vorgesinterte Scheibe eine grössere Porosität aufweist als die ebenfalls vorge- <RTI
ID="0004.0027"> sinterten Schaiüelfässe, wird die Scheibe mehr schrumpfen als diese Schaufelfüsse und dem zufolge atü die letzteren aufgeschrumpft; da durch wird eine feste Verbindung zwischen Rotorscheibe und Schaufeln hergestellt. .
In ähnlicher Weise können andere zur Sinterung geeignete, pulverförmige Materia lien zur Herstellung der Schaufeln und der Rotorscheibe verwendet werden, welche Teile durch unterschiedliche Schrumpfung des Ro- torseheibenumfangteils und der einzelnen Schaufelfüsse fest miteinander verbunden werden, um eine beschaufelte Rotorscheibe zu schaffen, bei welcher die :
Schaufeln fest in der Rotorscheibe verankert sind.
Process for the production of a bladed turbine rotor disk for gas turbine plants. The present invention relates to a method for producing a turbine rotor disk with blades for gas turbine systems.
In such systems it is known that compressed air mixed with fuel is burned, the energy of the hot high-pressure combustion gases being used to drive the turbine rotor, in which these gases are fed to one or more turbine rotor blade rings by means of one or more stationary guide vane rings doing work. The efficiency of such turbines is limited by the maximum temperature at which the hot combustion gases are fed to the first turbine stage.
This limitation is due to the heat resistance and corrosion resistance of the material of the turbine blades, which rotate at high peripheral speed and experience relatively high loads.
The thermal efficiency of each turbine increases with the temperature of the combustion gases flowing into the first stage.
The material used for such turbine blades is usually a cobalt-based alloy, which contains about 60% cobalt, about 20% chromium, about 5% nickel and some other additives. The heat resistance of such a material, if it is intended for a minimal service life, does not exceed 800 C, which is why gas turbines have only been operated with combustion gases of a maximum temperature of 800 C.
Various corrosion-resistant materials are known which have a significantly greater corrosion resistance than metal alloys of the aforementioned type and which have a sufficiently high breaking strength to be able to be used as a material for the production of turbine blades. Such materials are, for example, sintered titanium carbides.
However, it has heretofore been generally assumed that it is impossible to use sintered corrosion-resistant materials for gas turbine blades operating at speeds up to 20,0001 T / miu. rotate, as these known materials are not stretchable enough.
The present invention is based on the finding that, despite the named properties, the known sintered corrosion-resistant materials can also be used to manufacture gas turbine blades, provided that the turbine rotor has only a small diameter, for example 30 to 40 cm , and that the blades, like the rotor disk itself, are made of sintered, powdery material, the blades. connected to the rotor disk by sintering.
The inventive method is primarily intended to make it possible to create a turbine rotor whose rotor disk and blades consist of a corrosion-resistant, sintered mate rial and which, despite the low elasticity of this material, can withstand the stresses occurring during operation.
The method according to the invention is characterized in that the rotor disk and the) blades are produced separately by sintering from powdery material, with a peripheral part of the rotor disk being provided with recesses for receiving the blade feet and designed so that the blade root and the disk circumference - are partly subjected to the same sintering treatment,
the blade roots shrink less than the peripheral part of the disk, so that the blades are inserted with their feet into the recesses of the rotor disk, and that the structure thus assembled is then sintered at a temperature at which the peripheral part of the rotor disk is stronger It does not shrink as the roots of the "blades", as a result of which the named peripheral part is shrunk onto the blade roots and the latter are clamped firmly in the recesses of the rotor disk catchment part.
The method according to the invention is then explained in more detail with reference to the accompanying drawing, for example; 1 shows a cross section through part of a rotor disk produced according to the inventive method, showing the connection point between a blade and the rotor disk, FIG. 2 shows a plan view of FIG.
.Sovel and Fig. 3 and 4 sections according to Fig. 1, each showing a variant of a rotor disk manufactured according to the method according to the invention.
In FIGS. 1 and 2, parts of a turbine rotor disk intended for installation in a gas turbine system are drawn, which are made of sintered, powdery material, for example titanium carbide, and are fastened to their pre-fabricated blades made of the same or a similar material ;
The material is chosen so that the blades and rotor disk in the hot gas zone of the gas turbine plant can still work at gas temperatures of more than 800 C up to 10 0 C and 1600 C, rotating at speeds between 20 000 and 310 - 000 TIMin. or higher without exceeding the elastic limit of the material under the high operational loads.
The peripheral part 41 of the rotor disk 12 is provided with a plurality of axially running, identically formed grooves 42 which are separated from one another by projections 43 when the disk is produced by sintering. Each blade 22 (only one shown) receives a foot 27 in its production, also carried out by sintering, which has approximately flat connecting surfaces which converge towards the foot end and which are intended to interact with corresponding connecting surfaces of the grooves 42.
In the variant shown in Figure 3, the downward ver younger blade foot part 27 of each blade 2.2 will see its free end with additional round projections ver, which when inserting the 'blades in the peripheral part 41 in corresponding depressions of the side walls of the grooves 42 a grab. 4 shows a further variant of a bladed turbine rotor disc, in which the blade root 27 is provided with a thickened, rounded anchor head 27a during the manufacture of the blade, which engages in a correspondingly shaped part of the groove 42 when the blade is inserted into the peripheral part of the disc .
As mentioned, the rotor disk and the blades are made separately by sintering, whereupon the .Schaufeln 22 is inserted with its foot 27 in the grooves 42 on the peripheral part 41 of the disk. The connection between the rotor disk and the blades is made by subjecting the structure composed of the disk and the blades to a sintering process at a high temperature, at which the rotor disk and the blades suffer a different degree of shrinkage.
that the peripheral part 41 of the rotor disc is shrunk onto the Schaafelfüsse 27, whereby the latter are clamped in the disc body, while a sintered connection is made on the connecting surfaces of the 'scoop feet and grooves.
The different: Shrinkage of the rotor disk and the blade roots can be achieved in the most varied of ways.
For example, the projections 43 between the grooves 42 of the rotor disk 12: can be made thicker than the blade roots 27, so that when the structure is heated to the sintering temperature, the larger volume of the projections 43 shrinks more than the blade root 2.7 of the blade 22 Thus, the peripheral part 41 of the disk 12, which undergoes a greater degree of shrinkage than the blade roots 27, is shrunk onto the latter, whereby the blade roots are firmly clamped and inevitably a firm connection between the blade root and the disk is achieved without the blade being closed connecting parts are exposed to impermissible tensions.
On the other hand, the material used for the blades 22 or only for their root 27 can be selected and shaped such that the peripheral part 41 of the disk 1'2 shrinks more than the blade root.
If, for example, the same material is chosen for the manufacture of the disc and the scoop, the scoop or its base can be given a lower porosity than the disc body possesses, although this measure can already be taken during the previous pressing of the powdery material and / or achieved by pre-sintering. Furthermore, a different material can be used for the blades than for the disk, which material has a lower shrinkage than the material of the disk.
In any case, if the rotor see T2 together with the blade roots 27 of the blades 22 inserted into the grooves 42 are subjected to a sintering process at high temperature, which causes a certain shrinkage of the disc and the blades, the greater shrinkage of the blades Circumferential part 41 of the disk cause this circumferential part to be shrunk onto the blade roots, while the latter are clamped in the disk edge, since they experience less shrinkage.
Since a perfect, firm connection between the blade roots tnid of the rotor disk is established, while at the same time the SinterLmg creates an additional firm connection between the blade roots and the peripheral part of the rotor disk independently of the mentioned clamping connection.
In order to make the production of the elements described easier for the person skilled in the art, a practical embodiment of the production process is given below, which results in an extremely solid connection between the turbine blade roots made of sintered powdery material and the turbine rotor disk made of similar sintered material.
A powder of suitable grain size, which consists of about 6% titanium carbide, 32% nickel and 8 "/ a chromium, is cold-pressed in oversized molds at a pressure of about 300 to 3000 kgicm2 blanks according to the shape of the blades 22. and the rotor disk 12 produced.
When producing the molds, the shape of the blades and the shrinkage of the blades and the rotor disk during sintering or any other heat treatment that may be provided must be taken into account. be worn.
The blade blanks and the rotor disk roll are then pre-sintered for about 1'5 minutes at a temperature of 1100 C to 250011 C so that workpieces are obtained that are sufficiently strong to be easily machined in the usual way Emd atü the final form can be brought.
The blade blanks are pre-sintered slightly longer than the disc blank, which in the example is pre-sintered for 12 to 13 minutes in order to give it a slightly greater porosity or a lower density.
Following the shaping described, the blade roots of the pre-sintered blades are inserted into the edge grooves of the rotor disk, which is also pre-sintered.
This composite structure is then subjected to sintering at about 100 ° C. to 2500 ° C. for 5 to 50 hours.
This final sintering preserves both the rotor disk and the blades attached to it. the desired properties of the end product and the blades are attached to the peripheral part of the rotor by a sintered connection. Since the pre-sintered disc has a greater porosity than the pre-sintered <RTI
ID = "0004.0027"> if sintered shovel barrels, the disk will shrink more than these shovel roots and accordingly the latter will shrink open; this creates a firm connection between the rotor disk and the blades. .
In a similar way, other powdery materials suitable for sintering can be used to manufacture the blades and the rotor disk, which parts are firmly connected to one another by different shrinkage of the rotor disk peripheral part and the individual blade roots to create a bladed rotor disk in which the :
The blades are firmly anchored in the rotor disk.