CH423431A - Verfahren zur Herstellung eines Strömungsmaschinenschaufelfusses und/oder dessen am Schaufelträger befindlichen Halterung - Google Patents

Description

  Verfahren     zur    Herstellung eines     Strömungsmaschinenschaufelfusses    und/oder dessen  am Schaufelträger     befindlichen    Halterung    Bei     Strömungsmaschinenschaufeln,    insbesondere       Gasturbinenschaufeln,    aus sprödem Werkstoff, be  sonders Keramik- oder     Sinterkeramik-Werkstoff,    be  reitet deren Befestigung bzw. Einspannung im Schau  felträger, z. B.     Strömungsmaschinenläufer    bzw. des  sen Schaufelhalterung erhebliche Schwierigkeiten, da  die Tragflächen des Schaufelfusses nicht genügend  eben ausgeführt werden können.

   Durch den Brenn  vorgang beim Sintern werden Erhöhungen auf der       Fussoberfläche,    leichte Verwerfungen usw. hervorge  rufen, die bei Belastung, in der Hauptsache durch  Fliehkräfte, unerwünscht hohe     Druckspannungsspit-          zen    erzeugen. Bei der Empfindlichkeit des spröden  Schaufelwerkstoffes gegen Kerbspannungen können  diese Spannungsspitzen zur Zerstörung oder minde  stens zur Beschädigung des Schaufelfusses und damit  der Schaufel führen.  



  Diese Empfindlichkeit gegen Kerbspannungen  wird durch     keilförmige    und mit grossem Keilwinkel  versehene Tragflächen zu überwinden versucht. Dies  führt aber auch zu     Einspannungsschwierigkeiten,    da  allein schon grosse Winkel grosse Normalkräfte erge  ben;     darüberhinaus    erzeugen diese Winkel störende       Reibungskräfte    zwischen den Tragflächen des Fusses  und den anliegenden Stützflächen der Halterung. Die  voneinander verschiedenen Ausdehnungskoeffizien  ten der Schaufeln und der Halterung am Schaufelträ  ger bedingen im keramischen Werkstoff unter diesen  Voraussetzungen ausserdem zusätzliche Spannungen.

    Eine mögliche     Schleifbearbeitung    des Schaufelfusses  stört den     Eigenspannungszustand    des Werkstoffes  und führt zur Minderung seiner Festigkeit.  



  Es gibt noch mehrere andere Mittel zur Vermin  derung der Schwierigkeiten bezüglich der genannten  Unebenheiten des     Keramik-Werkstoffes.    Sie     alle       bringen keine allgemeine Lösung des Problems.  Durch Aufdampfen oder Aufspritzen dünner, metal  lischer Schichten auf die rohen     Tragflächen    des     Fus-          ses    aber wird keine befriedigende Verbindung erzielt;  diese Verbindung hält nicht; wegen der     geringen          Metallschichtstärke    kann die     Metallschichtoberfläche     auch nicht bearbeitet werden; aus beiden Gründen  sind also die Tragflächen des Fusses nicht eben zu  bekommen.  



  Die Erfindung will die genannten Nachteile behe  ben. Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel  lung eines     Strömungsmaschinenschaufelfusses        mit     Haltevorsprüngen und/oder dessen am Schaufelträger  befindlichen Halterung mit Haltevorsprüngen, wobei  der Fuss und/oder die Halterung     mindestens    an der       Oberfläche    aus sprödem Werkstoff besteht, bei wel  chem Verfahren zuerst dieses     Sprödwerkstoffteil    roh  hergestellt wird und dann auf dieses rohe Teil fest  Metallschichten aufgebracht werden. Die ineinander  greifenden Haltevorsprünge des Fusses und der Hal  terung gewährleisten, dass die Schaufel bei Drehen  des Läufers nicht radial nach aussen wegfliegt. Der  Fuss bzw. die Halterung kann z.

   B. vier oder mehr  Haltevorsprünge (z. B.     Tannenbaumfuss)    oder zwei  Haltevorsprünge (z. B.     Hammerkopffuss)    aufweisen.  Die Haltevorsprünge können aussen z. B. spitz, rund  oder flach sein. Die Nuten, in denen die     Schaufel-          füsse    sitzen, können z. B. ringförmig, axial oder  schräg verlaufen. Auf a11 diese Fuss- oder     Nutformen     bezieht sich die Erfindung. Die Erfindung besteht  darin, dass die Metallschichten mit den Haltevor  sprüngen aufgebracht werden oder die Metallschich  ten in solcher Dicke aufgebracht werden, dass ihre  Bearbeitung zur Endform ohne Berührung des sprö  den Werkstoffes durchführbar ist. Somit wird insbe-      sondere eine  satte  oder glatte Auflage erzielt.

   Die  genannte Bearbeitung ist insbesondere eine mechani  sche. Der spröde     Werkstoff    wird nun nicht mehr be  schädigt. Verschiebe- und     Gleitbewegungen    werden       jetzt    zumindest stark vermindert. Die     Oberflächen     der starken Metallschichten können jetzt so bearbei  tet, z. B. so     feinstbearbeitet    werden, dass sie voll  kommen plan oder eben sind. Somit wird eine voll  kommen formschlüssige Verbindung erzielt, was bei  den bekannten Verfahren nur     mangelhaft    erreicht  wird.

   Die Metallschichten werden auch     zum        Übertra-          gen    der     Kräfte    herangezogen. Die Verbindung ist  dann form- und kraftschlüssig. Es bilden sich auch  keine     Oxydhäutchen    auf den tragenden Flächen, wie  sie bei den bekannten, obengenannten     dünnen     Schichten auftreten.  



  Die     Keilwinkelform    mit grossem     Keilwinkel    ist  jetzt nicht mehr notwendig, sondern es können die  bei rein metallischen Schaufeln bekannten Formen  zur Anwendung     kommen,    wie z. B.     Hammerkopf-          oder        Tannenbaumfuss.    Es kann, wenn es die unter  schiedliche     Wärmedehnung    bedingt, durch Nachbe  arbeitung an den Spitzen der Haltevorsprünge oder  an den     Einschnürungen    die Materialstärke so abgear  beitet werden, dass die beiden     verschiedenen    Werk  stoffe entsprechend arbeiten können.

   Durch metall  freie quer zur     Schaufelnut    stehende Stirnflächen des  Fusses ist jederzeit auch schon bei der Bearbeitung  eine Kontrolle     möglich.    Somit können die     Tragflächen     vom     Werkstoff    her von waagerecht bis zu einem be  liebig grossen Winkel ausgeführt werden, und der  eingebettete Keramikfuss kann eine werkstoffge  rechte Form mit der geringsten     Kerbempfindlichkeit     erhalten.  



  In Ausgestaltung des Verfahrens gemäss der Er  findung kann so vorgegangen werden, dass zuerst das       Sprödwerkstoffteil    roh ohne die Haltevorsprünge     her-          P    er t wird, dann die Metallschichten mit den Halte  stell       vorsprüngen    aufgebracht werden und zuletzt die Halte  vorsprünge zur     Endform    bearbeitet werden.

   Diese Be  arbeitung kann weggelassen werden, wenn die Metall  schichten mit den Haltevorsprüngen entsprechend der  Endform aufgebracht     werden.    Es kann aber auch so  vorgegangen werden, dass zuerst das     Sprödwerkstoff-          teil    roh mit den     Haltevorsprüngen    hergestellt wird,  dann die Metallschichten auf die Haltevorsprünge  aufgebracht werden und zuletzt die     Endform    aus den  Metallschichten herausgearbeitet wird. Es kann fer  ner so vorgegangen werden, dass die Metallschichten  in der genannten Dicke nur auf rohe Tragflächen ge  bracht werden.

   Die anderen Flächen des Fusses blei  ben dann     metallfrei.    Es können aber auch die Metall  schichten in der genannten Dicke     auf    rohe Tragflä  chen und andere rohe Flächen gebracht werden und  dann die genannte Bearbeitung in dem Sinne durch  geführt werden, dass die Schichtdicke der Endform  an den     Tragflächen    grösser ist als an den anderen  Flächen.

       Schliesslich    können die Metallschichten     in     der genannten Dicke auf rohe Tragflächen gebracht  werden und auf andere rohe Flächen in solcher ge-         ringeren    Dicke gebracht werden, dass diese Dicke  auch nach Bearbeitung der     Tragflächen-Metall-          schichten    noch kleiner ist als die Dicke dieser letztge  nannten Schichten, wonach die genannte Bearbeitung  nur der Tragflächen durchgeführt wird,     während    die  anderen Flächen nicht bearbeitet werden.

   Insbeson  dere werden die Metallschichten auf den Spitzen der  Haltevorsprünge und/oder     Einschnürungen        dünner     hergestellt als auf den Tragflächen, und zwar damit       Wärmedehnungen    besser aufgenommen werden kön  nen.  



  Wenn z. B. ein     Laufschaufelfuss    aus     Sprödwerk-          stoff    betrachtet wird, so wird insbesondere fast der  ganze Fuss mit Metall überzogen; die Ausnahme bil  den die schon oben     erwähnten    Stirnflächen. Auf  jeden Fall erhalten aber die Tragflächen die Metall  schichten. Auch kann auf eine rohe     Schaufelfusssohle     aus sprödem     Werkstoff    eine Metallschicht gebracht  werden, und zwar z. B. in der genannten Dicke mit  anschliessender oben genannter Bearbeitung.

   Die  letztgenannte Schicht kann auch eine tragende Nase  o. dgl. zur Abstützung der Schaufel am     Halterungs-          nutgrund    bei stillstehendem Läufer     einschliessen.    Die  vom heissen Strömungsmittel der Maschine     berühr-          ten    Teile eines     Sprödwerkstoffusses    sind zumindest  vorwiegend frei von Metall; auf die in der     Halte-          rungsnut    steckenden Teile des Fusses sind wie ange  geben die Metallschichten aufgebracht.  



  Der genannte spröde Werkstoff ist insbesondere  Keramik oder     Sinterkeramik    Werkstoff.  



  In allen Fällen können die Metallschichten z. B.  durch     Lötung    oder durch Giessen aufgebracht wer  den, durch     Lötung    insbesondere auf rohe Haltevor  sprünge.  



  Vorzugsweise werden auf das     Sprödwerkstoffteil,     das insbesondere lediglich aus Metalloxyden, wie       Magnesiumoxyd,        Berylliumoxyd    und ganz besonders  Aluminiumoxyd, besteht,     Molybdän-    oder Mangan  schichten aufgebracht. Als     Werkstoffe    für die Schich  ten werden mit Vorteil     hochwarmfeste    und oxyda  tionsbeständige Metalle, z. B. Chrom, Nickel,  Chrom-Nickel oder     Tantal    verwendet, speziell auch  zum     Auflöten    der Schichten.

   Dabei geniesst der  jenige     Werkstoff    den Vorzug, der in der Wärme  dehnung dem jeweiligen     Sprödwerkstoff    am günstig  sten     angepasst    werden kann. Für die Metallschichten  können auch niedriger schmelzende Metalle oder  Metallegierungen verwendet werden, soweit die Tem  peratur des Strömungsmittels der Strömungsmaschine  und/oder der Kühlungszustand des     Sprödwerkstoff-          teiles    dies erlauben bzw. erlaubt. Die Metallschicht  kann auch in verschiedenen Lagen aufgebracht wer  den.  



  In der Zeichnung sind in     Fig.    1 bis 4 vier Aus  führungsbeispiele von     Sinterkeramik-Gasturbinen-          laufschaufelfüssen    dargestellt, von denen die gemäss       Fig.    1, 2 und 4 nach Verfahren gemäss der Erfindung  hergestellt wurden.  



       über    dem Fuss ist noch der     übergang    zum zuge  hörigen,     mit    dem Fuss aus einem Stück bestehenden      Schaufelblatt 10 zu sehen. Der Fuss sitzt in der Hal  terung 11 des Läufers der Gasturbine. Die Halterung  11 besteht mit diesem Läufer aus einem Stück. Läu  fer und Halterung 11 bestehen aus Metall, und zwar  aus demselben. Die Nut in der Halterung 11 nimmt  die     Schaufelfüsse    auf. Die Nut hat etwa die Form wie  der Fuss. Der Fuss hat Haltevorsprünge 14 und Ein  schnürungen 15. Die     Nutwandteile    sind Metallober  flächen.

   Die insbesondere durch die Zentrifugalkraft  der Schaufel auf     Druck    beanspruchten Stützflächen  der     Nutwand    sind mit 12 bezeichnet, die ihnen ge  genüberliegenden     Sinterkeramik-Tragflächen    des  Fusses mit 13. Der Keilwinkel der Stützflächen 12  bzw. Tragflächen 13 ist mit 16 bezeichnet.  



  Auf die Haltevorsprünge 14 und die     Einschnü-          rungen    15, aber nicht auf die beiden Stirnflächen 17  des Fusses, sind Metallschichten aufgebracht, die  schraffiert gezeichnet sind. Beim     Hammerkopffuss     gemäss     Fig.    1 verlaufen die Stütz- und Tragflächen  12 und 13 waagerecht, beim     Hammerkopffuss        ge-          mäss        Fig.    2 schräg mit kleinem Keilwinkel 16.

       Ge-          mäss        Fig.    2 stützt sich der Fuss über die Nase 18 am       Halterungsnutgrund    19 ab, gemäss     Fig.    1 über die  gesamte Metallschicht der     Schaufelfussohle    20.     Ge-          mäss        Fig.    1 sind die Metallschichten in der genannten  Dicke u. a. auf die rohen     Tragflächen    13, die rohen  Halsflächen 21 und die rohe     Schaufelfussohle    20,  auch aussen die Form des Fusses aufweisend, ge  bracht worden. Dann ist die genannte Bearbeitung  durchgeführt worden.

   Gemäss     Fig.    2 liegen die Dinge  ähnlich. Gemäss     Fig.    3 ist der Keilwinkel 16 bedeu  tend     grösser    als gemäss     Fig.    2. Es handelt sich     ge-          mäss        Fig.    3 um eine     Halterung-Fuss-Verbindung    be  kannter Art ohne metallische Einbettung, also ohne  Metallschichten auf den     Fussoberflächen.    Auch die  Halterung besteht aus Metall.

   Gemäss     Fig.    4 handelt  es sich um einen     Tannenbaumfuss.    Rechts ist der  Fuss nach Aufbringen der Metallschicht durch     Gies-          sen    zu sehen. Zuerst ist also der Fuss roh mit Halte  vorsprüngen 14 hergestellt worden, und dann ist     durch     Giessen die Metallschicht ohne Haltevorsprünge  aufgebracht worden. Sie kann auch wie     gemäss          Fig.    1 und 2 mit     Haltevorsprüngen    aufgebracht wer  den. Links ist der Fuss in Endform zu sehen. Diese  ist aus den Metallschichten mechanisch herausgear  beitet worden. Die Schichtdicke der Endform ist an  den Tragflächen 13 grösser als an den anderen Flä  chen des Fusses.

    



  Die Erfindung     kann    mit gleichen Vorteilen auch  bei     Strömungsmaschinenleitschaufelfüssen    und/oder  deren Halterungen angewendet werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung eines Strömungsma- schinenschaufelfusses mit Haltevorsprüngen und/ oder dessen am Schaufelträger befindlichen Halterung mit Haltevorsprüngen, wobei der Fuss und/oder die Halterung mindestens an der Oberfläche aus sprödem Werkstoff besteht, bei welchem Verfahren zuerst die ses Sprödwerkstoffteil roh hergestellt wird und dann auf dieses rohe Teil fest Metallschichten aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall schichten mit den Haltevorsprüngen (14) aufgebracht werden oder die Metallschichten in solcher Dicke aufgebracht werden,

   dass ihre Bearbeitung zur End- form ohne Berührung des spröden Werkstoffes durchführbar ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zuerst das Sprödwerkstoffteil roh ohne die Haltevorsprünge (14) hergestellt wird, dann die Metallschichten mit den Haltevorsprüngen (14) aufgebracht werden und zuletzt die Haltevorsprünge (14) zur Endform bearbeitet werden. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zuerst das Sprödwerkstoffteil roh mit den Haltevorsprüngen (14) hergestellt wird, dann die Metallschichten auf die Haltevorsprünge (14) auf gebracht werden und zuletzt die Endform aus den Metallschichten herausgearbeitet wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallschichten in der ge nannten Dicke nur auf rohe Tragflächen (13) ge bracht werden. 4. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass auf eine rohe Schaufelfusssohle (20) aus sprödem Werkstoff eine Metallschicht ge bracht wird. 5.

   Verfahren nach Patentanspruch und Unteran spruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Metall schicht eine Nase (18) zur Abstützung der Schaufel am Halterungsnutgrund (19) einschliesst. 6. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallschichten durch Lötung oder durch Giessen aufgebracht werden. 7. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallschichten auf den Spit zen der Haltevorsprünge (14) und/oder Einschnürun- gen (15) dünner hergestellt werden als auf den Trag flächen (13).