Stator-Schaufel für Turbomaschinen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Stator-Sehaufel für Turbomaschinen.
Bisher wurden die Stator-Schaufeln für Turbomaschinen üblicherweise durch span abhebende Bearbeitung oder durch Giessen aus einem Metall mit bei hohen Temperaturen -tuen Festigkeitseigenschaften hergestellt. Solche warmfeste Metalle sind Legierungen, und zwar normalerweise solche, die teuere Le gierungsbestandteile enthalten.
Aber auch bei Verwendung solcher Metalle zur Herstellung der Schaufeln zwingt die mit steigender Ar- beitstemperatur rasch abnehmende Festigkeit dieser Metalle zur Einhaltung einer bestimm- ten obern Grenze der Betriebstemperatur .der Schaufel.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Stator-Schaufel für Turbomaschinen, insbe sondere Gasturbinen, zu schaffen, die bei hö heren Betriebstemperaturen arbeiten kann, als für Schaufeln aus Metall zulässig ist, und bei welcher der Anteil vno teuren Legierungs^ bestandteilen gegenüber bekannten Metall schaufeln herabgesetzt werden kann.
Gemäss vorliegender Erfindung weist die Stator-Schaufel stabfö@rmige Eilemente aus keramischem Material auf, welche Elemente sich in Längsrichtung der Schaufel über die ganze Schaufellänge erstrecken und innerhalb des Profils der Schaufel miteinander verbun- den sind.
Die stabförmigen Elemente aus kerami- sehem Material können durch ein hochwarm- festes Bindemittel, d. h. ein solches, das ho hen Temperaturen widerstehen kann ohne zu zerbröckeln, miteinander verbunden sein; das Bindemittel kann .gleichzeitig auch die Aussen haut der Schaufel bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemässen Schaufel besitzen die stabför-. urigen Elemente aus keramischem Material durchwegs gleichen Querschnitt und liegen derart nebeneinander, dass sie einen vollen Schaufelquerschnitt ergeben, wobei die Zwi schenräume mit Bindemittel ausgefüllt sind. .
Bei einem andern Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaufel besitzen die auf der konvexen Schaufelseite angeordneten stabförmigen Elemente aus keramischem Ma terial .einen gmösseren Querschnitt als die übrigen stabförmigen Elemente der Schaufel. Die stabförmigen Elemente mit grösserem Querschnitt können z.
B. .annähernd drei Viertel der konvexen Schaufelseite von der Vorderkante der Schaufel her ausmachen...
Es versteht sieh, dass die Schaufel auch hohl ausgebildet sein kann, wobei die Wand des durch die Schaufel führenden Kanals durch die stabförmigen Elemente mit oder ohne Verwendung eines Bindemittels gebildet sein kann. Der Querschnitt .der stabförmigen Elemente aus keramischem Material kann ein Kreis, ein Dreieck oder ein. Polygon sein. Um.
ein glattes Profil zu erhalten, können die an der Schaufelaussenseite liegenden stabför- migen Elemente mit einem Bindemittel über- zogen sein, das auch die Zwischenräume zwi schen diesen Elementen füllen kann.
Die Enden der Schaufel können je von einem Band oder Kragen umfasst sein, iun die Enden der stabförmigen Elemente gegen Auseinanderfallen zu. sichern. Ausserdem kann der keramische Teil der Schaufel von einer die Aussenfläche der Schaufelbildenden yIetallblechhülle umgeben sein; diese Hülle ist zweckmässig so angeordnet, dass sie im Be trieb keine Kräfte übertragen muss.
Handelt es sich um eine verdrillte Sehau- fel,'so sind die stabförmigen Elemente zweck mässig mit ihren Axen geneigt zur Längsaxe der Schaufel angeordnet. Eine sich verjün gende Schaufel kann durch Verwendung von sich verjüngenden stabförmigen z. B. koni schen Elementen oder durch ungleichförmige Anordnung eines als Füllmaterial dienenden hochwarmfesten Bindemittels über die Schau fellänge geschaffen sein.
Die auf der Aussenseite der Schaufel lie genden stabförmigen Elemente können auch so geformt sein, dass sie eine annähernd glatte Schaufelaussenfläche ergeben; in die sem Fall ist die Verwendung eines Bindemit tels zur Schaffung einer glatten Oberfläche überflüssig.
Zur Herstellung der stabförmigen Ele mente der Schaufel haben sich Materialien als geeignet erwiesen, wie sie beispielsweise unter der Markenbezeichnung Sintox und Cörundite bekannt geworden sind. Ge brannter Ton kann als hochwarmfestes Binde- und Füllmittel verwendet werden.
Einige Ausführungsbeispiele der erfin dungsgemässen Schaufel sind in der beilie genden Zeichnung dargestellt..Es zeigt: Fig.1 einen Teil eines Sehaüfelkranzes, Fig. 2 in Endansicht eine der in Fig.1 ge zeigten Schaufeln, Fig.3 eine andere Ausführungsform der in Fig. 2 gezeigten Schaufel, und Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der in Fig. 2 ,gezeigten Schaufel.
Die Fig.1 und 2 zeigen einen Teil eines Leitschaufelkranzes einer Axia-Iströmungs- turbine. Der Schaufelkranz besitzt einen innern Metalltragring 10 und einen äussern Metalltragring 11. Der Innenring 10 ist. koaxial zum äussern Tragring 11 angeordnet. Zwi schen den beiden Ringen erstrecken sich eine Mehrzahl von Leitschaufeln 12.
Im innern und äussern Ring 10 und 11 sind am Umfang mit Abstand voneinander an geordnete Öffnungen vorgesehen, deren Form der Form der Endteile der Schaufeln 12- ent spricht. Beim Beispiel gemäss Fig.1 dienen diese Öffnungen der Aufnahme der Endteile 13 der Schaufeln; diese Schaufelendteile sind als Bänder ausgebildet, welche die Schaufel enden umfassen.
Jede Schaufel 12 ist aus einer grossen An zahl von Stäben 14 aufgebaut., die von gleich bleibendem Kreisquerschnitt sind und aus keramischem Material -bestehen. Die Stäbe 14 können z. B. aus dein unter der Marken bez6ichnung Sintox bekannten Material be stehen. Die Stäbe 14 bilden ein Bündel, das sich in Längsrichtung der Schaufel zwischen den Schaufelendteilen 13 am innern bzw. äussern Schaufelende erstreckt. Die Stäbe werden dabei durch ein hochwarmfestes Bindemittel 15 zusammengehalten.
Die Stäbe 14 liegen annähernd parallel nebeneinander und in Richtung der Lä:ngsaxe der Schaufel.
Bei einer bevorzugten Ausführung be trägt der Durchmesser der Stäbe 14 etwa. 1,5 mm, wobei in einer Schaufel etwa. 90 sol che Stäbe vorgesehen sind. Beim Zusammen bau der Stäbe werden diese zuerst in eine Lö sung .des mit einem geeigneten Lösungsmittel verdünnten Bindemittels getaucht.
Zweckmä ssig wird als Bindemittel Ton verwendet, der mit Wasser verdünnt wird, derart, dass die Konsistenz der Lösung genügt, um :die Stäbe zusammenzuhalten. Die zwischen benach barten Stäben belassenen Zwischenräume sind ebenfalls mit Bindemittel gefüllt.
Die glatte Schaufelaussenfläche wird ent weder durch Glätten des auf der Schaufel- aussenseite liegenden Bindemittels erreicht, wie dies bei den beiden links in Fig.1 gezeig ten Schaufeln der Fall ist, oder durch ent sprechende Ausbildung der äussern Stabflä- eben, wie dies bei der rechts in Fig.1 gezeig ten Schaufel der Fall ist.
Zum endgültigen Zusammenbau der Schaufel werden die Endteile 13 zweckmässig ix" eine geeignete Vorrichtung eingespannt, welche die gewünschte relative Winkellage der beiden Endteile ergibt, z. B. wenn eine ver drillte Schaufel hergestellt werden soll. Die so zusammengebaute Schaufel wird dann in der genannten Vorrichtung belassen und an der Luft, zuerst bei Raumtemperatur, dann in einem Ofen getrocknet. Anschliessend wird die Schaufel bei etwa 800 C in einem Ofen gebrannt.
Dann kann die Schaufel aus der Einspannvorrichtt-mg entfernt und zwischen die beiden Kranzringe 10 und 11 eingesetzt werden, in dem sie radial durch die '2n diesen Ringen vorgesehenen Öffnungen geschoben wird.
Um die Schaufeln gegen radiales Heraus fallen aus den Ringen 10, 11 zu sichern unter leiehzeitiger Ermöglichung einer radialen Relativausdehnung zwischen Schaufel 12: bzw. den Endteilen 13 Lind den Ringen 10, 11 sind l'#nsehläge vorgesehen. Dadurch wird verhin- dert, dass die Schaufeln 12 zufolge relativer Wärmeausdehnung einer Zug- oder Druck belastung ausgesetzt sind.
Für gewisse Turbo-Ma@sehinen sind Hohl schaufeln notwendig, wie eine solche in Fig. 3 gezeigt ist. Diese Ausbildung der Schaufel. wird dann gewählt, wenn in der Schaufel ein Kanal 16 für einen Kühlluftstrom geschaffen werden soll, oder wenn der Temperaturabfall in der Wand der Schaufel herabgesetzt. wer den soll.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungs beispiel einer Schaufel gezeigt,. bei welcher Stäbe verschiedenen Querschnittes verwendet sind. Beim gezeichneten Beispiel sind zehn Stäbe 17 mit kreisförmigem Querschnitt vor gesehen. Jeder dieser Stäbe 17 besitzt einen Durchmesser von etwa 3 mm und zusammen bilden sie die konvexe Seite der Schaufel, und zwar sind sie von der Schaufelvorderkante 12a weg über etwa drei Viertel dieser Schau felseite angeordnet. Ferner sind vierzig Stäbe 80 von kreisförmigem Querschnitt vor- gesehen, deren Durchmesser etwa 1,5. mm be trägt und die den Rest des Schaufelquer schnittes füllen.
Die zwischen den einzelnen Stäben 17, 18 vorhandenen Zwischenräume sind mit einem hochwarmfesten Bindemittel 19 gefüllt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Enden des keramischen Teils -der Schaufel von Krägen 20 umschlossen, welche die Stäbe 17, 18 am Auseinanderfallen hindern. Zwi- sehen den beiden Endringen 20 ist das Stab bündel 17, 18 von einem Blechmantel 21 um geben, durch welchen eine glatte Schaufel- oberfläche geschaffen ist.
Das Blech 21 be steht zweckmässig aus einem hochwarmfesten Stahl; da das Blech 21 mit den Ringen 20 nicht verbunden ist, nimmt es an der Last- übertragung praktisch nicht teil.
Das Hüllblech 21 kann sich natürlich auch bis an die Schaufelenden erstrecken, in welchem Fall keine Krägen 20 vorgesehen sind. In den im Bereich der Hintexkante der Schaufel vorhandenen Hohlraum ist ein me tallisches Füllstück 22 eingesetzt.
Stator-Sehaufeln der vorangehend be schriebenen Ausbildung besitzen den Vorteil, dass bei Verwendung derselben in Gasturbi- nenanlagen im Schaufelquerschnitt geringere Wärmespannungen auftreten als z. B. bei keramischen, aus einem Stück bestehenden Schaufeln. Solche einstüekige Keramikschau- feln. werden durch Wärmeschock leicht zer stört, wenn z. B. beim Anlassen oder Abstel len der Maschine die Arbeitstemperatur rasch ändert.
Beim Betrieb einer Gasturbinen- anlage ändert sich die Gastemperatur wäh rend des Anlassens und Abstellens bekannt lich äusserst rasch, wobei in solchen einstücki- gen Schaufeln mit vollem Querschnitt leicht unzulässige Wärmespannungen auftreten kön nen.
Indem die Schaufel wie beschrieben aus einer grossen Anzahl keramischer Stäbe her gestellt wird, können diese Wärmespannungen. vermindert werden, während anderseits der Gesamtquerschnitt der zu einem Bündel an geordneten Stäbe eine genügende- Festigkeit gegen Biegebeanspruchungen der S@ehaiüel ergibt.
Stator blade for turbo machinery. The present invention relates to a stator blade for turbo machinery.
So far, the stator blades for turbo machines have usually been produced by machining or by casting from a metal with strength properties at high temperatures. Such heat-resistant metals are alloys, usually those containing expensive alloy components.
But even when such metals are used to manufacture the blades, the strength of these metals, which decreases rapidly with increasing working temperature, forces a certain upper limit of the operating temperature of the blade to be maintained.
The present invention aims to provide a stator blade for turbo machines, in particular special gas turbines, which can work at higher operating temperatures than is permitted for blades made of metal, and in which the proportion of expensive alloy components is reduced compared to known metal blades can be.
According to the present invention, the stator blade has rod-shaped elements made of ceramic material, which elements extend in the longitudinal direction of the blade over the entire length of the blade and are connected to one another within the profile of the blade.
The rod-shaped elements made of ceramic sehem material can be replaced by a high-temperature binding agent, i. H. one that can withstand high temperatures without crumbling be connected to one another; the binding agent can also form the outer skin of the shovel at the same time.
In one embodiment of the blade according to the invention, the stabför-. Quaint elements made of ceramic material consistently have the same cross-section and lie next to each other in such a way that they result in a full blade cross-section, with the interim spaces being filled with binding agent. .
In another exemplary embodiment of the blade according to the invention, the rod-shaped elements made of ceramic material arranged on the convex side of the blade have a larger cross-section than the other rod-shaped elements of the blade. The rod-shaped elements with a larger cross-section can, for.
B. make up approximately three quarters of the convex side of the blade from the leading edge of the blade ...
It goes without saying that the blade can also be made hollow, wherein the wall of the channel leading through the blade can be formed by the rod-shaped elements with or without the use of a binding agent. The cross-section of the rod-shaped elements made of ceramic material can be a circle, a triangle or a. Be polygon. Around.
To obtain a smooth profile, the rod-shaped elements on the outside of the blade can be coated with a binding agent that can also fill the spaces between these elements.
The ends of the blade can each be encompassed by a band or collar, and the ends of the rod-shaped elements close against falling apart. to back up. In addition, the ceramic part of the blade can be surrounded by a sheet metal casing that forms the outer surface of the blade; this shell is conveniently arranged so that it does not have to transmit any forces during operation.
If it is a twisted shovel, the rod-shaped elements are expediently arranged with their axes inclined to the longitudinal axis of the shovel. A tapering shovel can be made by using tapered rod-shaped z. B. koni's elements or by non-uniform arrangement of a high-temperature binder serving as a filler material on the show fell length be created.
The rod-shaped elements lying on the outside of the blade can also be shaped in such a way that they result in an approximately smooth outer surface of the blade; In this case, the use of a binder to create a smooth surface is unnecessary.
Materials such as those known, for example, under the brand names Sintox and Cörundite, have proven to be suitable for producing the rod-shaped elements of the blade. Fired clay can be used as a high-temperature binder and filler.
Some exemplary embodiments of the blade according to the invention are shown in the accompanying drawing .. It shows: FIG. 1 part of a Sehaüfelkranzes, FIG. 2 in an end view of one of the blades shown in FIG. 1, FIG. 3 another embodiment of the FIG 2, and FIG. 4 shows a further embodiment of the blade shown in FIG.
FIGS. 1 and 2 show part of a guide vane ring of an Axia I-flow turbine. The blade ring has an inner metal support ring 10 and an outer metal support ring 11. The inner ring 10 is. arranged coaxially to the outer support ring 11. A plurality of guide vanes 12 extend between the two rings.
In the inner and outer ring 10 and 11 arranged openings are provided on the circumference at a distance from each other, the shape of which corresponds to the shape of the end parts of the blades 12- ent speaks. In the example according to FIG. 1, these openings serve to receive the end parts 13 of the blades; these shovel end parts are designed as strips which enclose the shovel ends.
Each blade 12 is composed of a large number of rods 14, which are of constant circular cross-section and are made of ceramic material. The rods 14 can, for. B. be made of your material known under the brand name Sintox. The rods 14 form a bundle which extends in the longitudinal direction of the blade between the blade end parts 13 at the inner or outer blade end. The rods are held together by a high-temperature binding agent 15.
The rods 14 are approximately parallel to one another and in the direction of the longitudinal axis of the blade.
In a preferred embodiment, the diameter of the rods 14 be approximately. 1.5mm, with about. 90 such rods are provided. When assembling the rods, they are first dipped in a solution of the binding agent diluted with a suitable solvent.
It is expedient to use clay as a binding agent, which is diluted with water in such a way that the consistency of the solution is sufficient to: hold the rods together. The spaces left between neighboring bars are also filled with binder.
The smooth outer surface of the blade is achieved either by smoothing the binding agent lying on the outer side of the blade, as is the case with the two blades shown on the left in FIG. 1, or by appropriately designing the outer rod surfaces, as is the case with FIG right in Fig.1 th shovel is the case.
For the final assembly of the blade, the end parts 13 are expediently clamped in a suitable device, which results in the desired relative angular position of the two end parts, e.g. when a twisted blade is to be produced. The blade thus assembled is then placed in the device mentioned left and dried in the air, first at room temperature, then in an oven, then the shovel is baked in an oven at around 800 ° C.
The blade can then be removed from the clamping device and inserted between the two rim rings 10 and 11 by being pushed radially through the openings provided in these rings.
In order to prevent the blades from falling out radially from the rings 10, 11 while allowing a radial relative expansion between the blades 12: or the end parts 13 and the rings 10, 11, linear lays are provided. This prevents the blades 12 from being subjected to a tensile or compressive load as a result of relative thermal expansion.
For certain turbo machines, hollow blades are necessary, as shown in FIG. 3. This training the shovel. is selected when a channel 16 for a flow of cooling air is to be created in the blade, or when the temperature drop in the wall of the blade is reduced. shall be.
In Fig. 4, another embodiment example of a shovel is shown. in which bars of different cross-sections are used. In the example shown, ten rods 17 are seen with a circular cross-section. Each of these rods 17 has a diameter of about 3 mm and together they form the convex side of the blade, namely they are arranged away from the blade leading edge 12a over about three quarters of this rock side. Forty rods 80 of circular cross-section are also provided, the diameter of which is approximately 1.5. mm and fill the rest of the blade cross-section.
The spaces between the individual rods 17, 18 are filled with a highly heat-resistant binder 19.
In this embodiment, the ends of the ceramic part of the blade are enclosed by collars 20 which prevent the rods 17, 18 from falling apart. Between the two end rings 20, the bundle of rods 17, 18 is surrounded by a sheet metal jacket 21 through which a smooth blade surface is created.
The plate 21 is suitably made of a high temperature steel; since the sheet metal 21 is not connected to the rings 20, it practically does not take part in the load transfer.
The cladding sheet 21 can of course also extend to the blade ends, in which case no collars 20 are provided. A me-metallic filler piece 22 is inserted into the cavity in the area of the rear edge of the blade.
Stator blades of the training described above have the advantage that when they are used in gas turbine systems, lower thermal stresses occur in the blade cross-section than z. B. ceramic, one-piece blades. Such one-piece ceramic blades. are easily zer disrupted by thermal shock if z. B. when starting or Abstel len the machine, the working temperature changes rapidly.
During the operation of a gas turbine plant, the gas temperature changes extremely rapidly during starting and stopping, as is well known, and impermissible thermal stresses can easily occur in such one-piece blades with full cross-section.
By making the blade from a large number of ceramic rods as described, these thermal stresses can. be reduced, while on the other hand the total cross-section of the rods arranged in a bundle results in sufficient strength against bending stresses of the S @ ehaiüel.