DE1025421B - Fastening of blades made of sproated material in a metallic blade carrier - Google Patents

Fastening of blades made of sproated material in a metallic blade carrier

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DE1025421B DEM28639A DEM0028639A DE1025421B DE 1025421 B DE1025421 B DE 1025421B DE M28639 A DEM28639 A DE M28639A DE M0028639 A DEM0028639 A DE M0028639A DE 1025421 B DE1025421 B DE 1025421B
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Fritz Bauer
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Description

Die Befestigung von Laufschaufeln aus spröden Werkstoffen, z. B. keramischen, ist insofern schwierig, als auf den Tragflächen des Schaufelfußes eine völlig gleichmäßige Pressung erreicht werden muß. Die Empfindlichkeit der spröden Werkstoffe gegen Kerbspannungen bedingt nämlich, die Tragflächen keilförmig anzuordnen, und zwar mit einem verhältnismäßig geringen Keilwinkel. Damit ergeben sich aber schon bei verhältnismäßig geringen Fliehkräften größere Norfnälkräfte in den Keilebenen, die in den durch den Brennvorgang hervorgerufenen Erhöhungen der Tragflächen unzulässig hohe Druckspannungsspitzen erzeugen. Kleine Einbrüche bilden dann häufig Ausgangspunkte für die Zerstörung der Schaufeln.The attachment of blades made of brittle materials, e.g. B. ceramic, is difficult in that on the wing of the blade root a completely uniform pressure must be achieved. The sensitivity of the brittle materials against notch stresses require that the wings be arranged in a wedge shape, namely with a relatively small wedge angle. However, this results in relatively low Centrifugal forces greater Norfnäl forces in the wedge planes, the inadmissibly high compressive stress peaks in the elevations of the wings caused by the burning process produce. Small break-ins then often form the starting point for the destruction of the Shovels.

Um den die Festigkeit von gebrannten Kerämikteilen erhöhenden Eigenspannungszustand nicht durch eine das »satte« Anliegen der Tragflächen herbeiführende Schleifbearbeitung zu stören, wurde schon ein poröser keramischer Überzug auf den Trägflächen des Schaufelfußes vorgeschlagen, mit dem eine gegenseitige Anpassung der einander berührenden Oberflächen durch Eindrücken des porösen Überzuges erreicht wird. Zwischen der Oberfläche des keramischen Überzuges und der stählernen Gegenfläche ergeben sich aber große Reibungskräfte, die den zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen erforderlichen Verschiebe- oder Gleitbewegungen großen Widerstand entgegensetzen.To avoid the internal stress state that increases the strength of fired ceramic parts due to a das Grinding machining that causes »full« concerns on the wings to disturb, a porous ceramic coating on the support surfaces of the blade root has already been proposed, with which a mutual adaptation of the touching surfaces by pressing the porous coating is achieved. Between the surface of the ceramic coating and the steel counter surface However, there are large frictional forces that compensate for different thermal expansions Oppose shifting or sliding movements with great resistance.

Um solche Gleitbewegungen zu erleichtern, hat man schon vcm Schaufelfuß und Schaufelträger unabhängige Zwischenlagen angeordnet, die in einer besonderen Ausführungsform auch schon aus verschiedenen Werkstoffschichten bestanden, mit dem Zweck, die Gleitbewegungen in den einzelnen Schichten und den Wärmeübergang von der Schaufel zum Schaufelträger auf ein Minimum zu reduzieren. Aber auch diese mehrschichtigen Zwischenlagen genügen den hohen Erfordernissen bei der Befestigung von Laufschaufeln aus spröden Werkstoffen in metallischen Schaufelträgern noch nicht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß schon bei verhältnismäßig geringen Beanspruchungen ein sattes Anliegen in der Berührungsfläche von Beilage und Schaufelfuß erfolgen muß, wenn Druckspannungsspitzen mit Sicherheit vermieden werden sollen.In order to facilitate such sliding movements, the blade root and the blade carrier are independent Intermediate layers are arranged, which in a special embodiment also consist of different layers of material existed with the purpose of the sliding movements in the individual layers and the heat transfer from the blade to the blade carrier to a minimum. But also these multilayer intermediate layers meet the high requirements for fastening rotor blades made of brittle materials in metallic blade carriers not yet. It has been shown that even with relatively low loads a full concern in the contact surface of the shim and blade root must take place, if Compressive stress peaks should be avoided with certainty.

Die Erfindung betrifft also eine Befestigung von Laufschaufeln spröden Werkstoffs in metallischem Schaufelträger mittels zwischen Schaufel und Schaufelträger angeordneter mehrschichtiger Zwischenlage. Sie besteht darin, daß die Zwischenlage an ihrer der Schaufel anliegenden Seite eine erste Schicht aufweist, deren Werkstoff bei der durch die Fliehkraft verursachten Beanspruchung fließt und die von einem Mantel aus einem Werkstoff umhüllt ist, der bei der durch die Fliehkraft erzeugten Beanspruchung nicht fließt, daß ferner die Zwischenlage eine zweite Schicht aus einem Stoff aufweist, der bei der durch die Befestigung von Laufschaufeln spröden
Werkstoffes in metallischem SchaufelträgerThe invention thus relates to a fastening of moving blades made of brittle material in a metallic blade carrier by means of a multilayer intermediate layer arranged between the blade and the blade carrier. It consists in the fact that the intermediate layer has a first layer on its side lying against the blade, the material of which flows under the stress caused by the centrifugal force and which is encased in a jacket made of a material that does not flow under the stress generated by the centrifugal force, that the intermediate layer further comprises a second layer made of a substance which becomes brittle when the rotor blades are attached
Material in a metallic blade carrier

Anmelder:Applicant:

Maschinenfabrik
Augsburg-Nürnberg A. G.,
Augsburg 2, Stadtbachstr. 7Machine factory
Augsburg-Nürnberg AG,
Augsburg 2, Stadtbachstr. 7th

Dr. rer. nat. Herbert Scharf und Fritz Bauer, Augsburg, sind als Erfinder genannt wordenDr. rer. nat. Herbert Scharf and Fritz Bauer, Augsburg, have been named as inventors

Fliehkraft erzeugten Beanspruchung sich nur elastisch verformt, und daß die Berührungsfläche der Zwischenlage mit der Schaufel so groß ist, daß die Druckbeanspruchung der Schaufel niedriger als die Druckfestigkeit des Schaufelwerkstoffes ist.Centrifugal force generated stress is only elastically deformed, and that the contact surface of the intermediate layer with the shovel is so large that the compressive stress on the shovel is lower than the compressive strength of the Blade material is.

Das elastisch-plastische Verhalten dieser Verbundbeilage nach der Erfindung sei an Hand eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms in Fig. 1 erläutert. Auf der Ordinate sind die Druckspannungen aä und auf der AbszisseThe elastic-plastic behavior of this composite insert according to the invention will be explained with the aid of a stress-strain diagram in FIG. The compressive stresses a ä are on the ordinate and the abscissa

Ae
Längenänderungen (Stauchungen) ε = — aufge- Ae
Changes in length (compression) ε = - increased

tragen. Bei der erstmaligen Inbetriebsetzung des Schaufelträgers ergibt sich folgender Funktionsverlauf: Vom Ursprung 0 aus wird die Verbundbeilage zunächst nur elastisch verformt, und zwar bis zum Erreichen der Fließspannung der weicheren Anpassungsschicht im Punkt A. Bei weiterer Druckzunahme wird, da der Werkstoff der einen Schicht fließt, die Spannungszunahme relativ geringer und die Dehnung (Quetschung) größer sein, und zwar — wegen der begrenzten plastischen Verformbarkeit der Schicht — bis zum Punkt B. Von diesem Punkt an ist das Verhältnis ad : ε im wesentlichen nur noch vom Elastizitätsmodul des Werkstoffes der anderen Schicht abhängig, d. h., die Verformungen sind bis zur maximal zulässigen Beanspruchung im Punkt C nur noch elastisch.wear. When the blade carrier is started up for the first time, the following functional sequence results: From the origin 0, the composite shim is initially only elastically deformed until the yield stress of the softer adaptation layer is reached at point A. If the pressure increases further, as the material of one layer flows, the increase in tension should be relatively lower and the elongation (crushing) greater, namely - due to the limited plastic deformability of the layer - up to point B. From this point on, the ratio a d : ε is essentially only the modulus of elasticity of the material of the other Layer-dependent, ie the deformations are only elastic up to the maximum permissible load at point C.

Bei Entlastung der Beilage verbleibt die Verformung ε0 = 0 H- 0', wobei ö' durch den Schnittpunkt der über B verlängerten Linie C-B mit der Abszisse bestimmt wird.When the enclosure is relieved, the deformation ε 0 = 0 H- 0 'remains, where δ' is determined by the intersection of the line CB extended over B with the abscissa.

Im Diagramm ist ferner vergleichsweise die Bruchspannung Gajs eines keramischen Schaufelwerkstoffes eingetragen. Auf diese bezogen, zeigt es sich, daß die'Fließgrenze (Punkt A) des für die Anpassungsschicht verwendeten Werkstoffes unterhalb etwa 20% und die Fließ-The diagram also shows the breaking stress G a js of a ceramic blade material for comparison. Based on this, it turns out that the flow limit (point A) of the material used for the adaptation layer is below about 20% and the flow limit

709 508/148709 508/148

grenze (Punkt D) des für die elastische Schicht verwendeten Werkstoffs oberhalb der zulässigen Betriebsspannung von 801Y0, aber unterhalb jener Druckgrenze liegt. Die Fließgrenze des elastischen Werkstoffs ist also kleiner als die Druckfestigkeit des Schaufelwerkstoffs, wodurch "> die Sicherheit vor Zerstörung erhöht wird.limit (point D) of the material used for the elastic layer is above the permissible operating voltage of 80 1 Y 0 , but below that pressure limit. The yield point of the elastic material is therefore smaller than the compressive strength of the blade material, which increases the safety against destruction.

Im folgenden seien einige Ausführungsbeispiele von Verbundbeilagen für Befestigungen nach der Erfindung erläutert. Die schematischen Darstellungen zeigen in Fig. 2 bis 4 mehrschichtige Verbundbeilagen und Fig. 5 und 6 Anordnungen der Verbundbeilagen in der Befestigungsnut von Turbinenläufern.In the following are some embodiments of composite shims for fastenings according to the invention explained. The schematic representations show multilayer composite inserts and in FIGS. 2 to 4 5 and 6 arrangements of the composite shims in the fastening groove of turbine rotors.

In Fig. 2 bezeichnet 1 die unbearbeitete Tragfläche einer gebrannten keramischen Schaufel und 2 die glatt bearbeitete Stützfläche des Schaufelträgers. Zwischen beiden Flächen ist eine zweischichtige Verbundbeilage 3 angeordnet, die sich zusammensetzt aus einem mit einem Stahlmantel 4 umhüllten, verhältnismäßig weichen Metallplättchen 5, das z. B. aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung bestehen kann, und einem elastischen Plattchen 6, beispielsweise aus Cr - Ni-Stahl. Die beiden Plättchen 5 und 6 sind in der Berührungsfläche bzw. mit dem Mantel verschweißt oder hart verlötet. Die Stahlummantelung besteht aus einer Stahllegierung mit hoher Warmfestigkeit, z. B. mit Legierungszusätzen von Cr, Ni und W, und schließt im entspannten Zustand ein größeres Volumen ein als das des Plättchens 5. Dadurch kann das Plättchen 5 sich nach anfänglicher elastischer Dehnung bis zu einem Druck von etwa 8 kg/mm2 ungehindert plastisch verformen und dabei den Unebenheiten der Fläche 1 anpassen. Der Innenraum des Mantels 4 ist nun so bemessen, daß er bei dieser Spannung voll ausgefüllt wird.In Fig. 2, 1 designates the unmachined wing surface of a fired ceramic blade and 2 the smoothly machined support surface of the blade carrier. A two-layer composite insert 3 is arranged between the two surfaces, which is composed of a relatively soft metal plate 5 encased with a steel jacket 4, which z. B. can consist of a copper or aluminum alloy, and an elastic plate 6, for example made of Cr - Ni steel. The two plates 5 and 6 are welded or hard-soldered in the contact surface or with the jacket. The steel casing consists of a steel alloy with high heat resistance, e.g. B. with alloy additions of Cr, Ni and W, and in the relaxed state includes a larger volume than that of the platelet 5. This allows the platelet 5 to be plastically deformed unhindered after initial elastic expansion up to a pressure of about 8 kg / mm 2 and adapt to the unevenness of surface 1. The interior of the jacket 4 is now dimensioned so that it is completely filled at this voltage.

Über diese Belastung hinaus werden die weiteren Formänderungen also nur noch durch den Elastizitätsmodul des Plättchens 6 bestimmt, das zur Schaffung kleiner Reibungsbeiwerte auf seiner Anlageseite geschliffen ist, um bei schnellen Temperaturänderungen Gleitbewegungen zu ermöglichen.Beyond this load, the further changes in shape are only made by the modulus of elasticity of the plate 6 is determined, which is ground to create small coefficients of friction on its contact side, to allow sliding movements in the event of rapid temperature changes.

Fig. 3 zeigt eine Verbundbeilage 3', bei der die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Sie ist für solche Befestigungen vorgesehen, bei denen die Fläche 2' nicht glatt bearbeitet ist. Um auch hier Gleitbewegungen in den Befestigungselementen herbeiführen zu können, ist das elastische Plättchen 6' mit einem Stahlband 7 überdeckt, das auf seiner der Fläche 2' zugewendeten Seite eine Auflage 8 aus einem weichen Metall, z. B. Kupfer, besitzt, das sich unter Einwirkung der Betriebsdrücke und Temperaturen der Rauhigkeit der Fläche 2' anpaßt. Die Gleitbewegungen finden bei der Verbundbeilage 3' in der Berührungsfläche 9 zwischen Plättchen 6' und Stahlband 7 statt.FIG. 3 shows a composite insert 3 ', in which the parts corresponding to FIG. 1 are provided with the same reference numerals. She is for such fortifications provided in which the surface 2 'is not machined smooth. In order to be able to bring about sliding movements in the fastening elements here too, this is elastic The plate 6 'is covered with a steel band 7, which has a support 8 on its side facing the surface 2' made of a soft metal, e.g. B. copper has, which is under the action of the operating pressures and temperatures the roughness of the surface 2 'adapts. In the case of the compound insert 3 ', the sliding movements take place in the contact surface 9 between the plate 6 'and the steel strip 7 instead.

Eine weitere Ausführung, die sich vor allem einfach und billig herstellen läßt, zeigt Fig. 4, wo eine Verbundbeüage 3" dadurch hergestellt ist, daß in ein flach gedrücktes Stahlrohr 10 ein Messinggeflecht 11 eingelagert ist. Das Messinggeflecht 11 übernimmt hier die Funktion des plastischen Plättchens 5 in Fig. 2 und 3.Another embodiment, which can be produced simply and cheaply, is shown in FIG. 4, where a composite attachment 3 "is produced in that a brass braid 11 is embedded in a flat steel tube 10 is. The brass braid 11 here takes on the function of the plastic plate 5 in FIGS. 2 and 3.

In Fig. 5 und 6 ist 21 eine keramische Laufschaufel und 22 der Schaufelträger mit den keilförmig liegenden Tragflächen 1 und Stützflächen 2. Um die Verbundbeilage 3 und die Schaufel 21 in ihrer Lage zu sichern, sind bei der Ausführung nach Fig. 5 beide Beilagen 3 durch ein U-förmig gekröpftes Stahlband 23 verbunden, das in der Mitte eine Schlaufe 23 a aufweist, die in eine in den Schaufelträger 22 eingestochene Nut 24 mit trapezförmigem Querschnitt eingreift. Dadurch wird die Schaufel auch im Stillstand des Schaufelträgers gestützt. . . .In FIGS. 5 and 6, 21 is a ceramic rotor blade and 22 is the blade carrier with the wedge-shaped elements Wings 1 and support surfaces 2. To secure the composite shim 3 and the shovel 21 in place, In the embodiment according to FIG. 5, both enclosures 3 are connected by a U-shaped cranked steel band 23, which has a loop 23 a in the middle, which is inserted into a groove 24 in the blade carrier 22 trapezoidal cross-section engages. As a result, the shovel is also when the shovel carrier is at a standstill supported. . . .

In Fig. 6 ist gleich das Stahlrohr 10 der Verbundbeilage 3" U-förmig gekröpft und in seiner ganzen Erstreckung mit dem Messinggeflecht 11 ausgefüllt. An Stelle der Schlaufe 23« in Fig. 5 ist in der Mitte an der unteren Seite des flach gedrückten Stahlrohres eine kleine Leiste 25 angeschweißt, die in die Nut 26 eingreift.In Fig. 6, the steel tube 10 of the composite insert 3 ″ is cranked in a U-shape and in its entirety Extension filled with the brass braid 11. Instead of the loop 23 ″ in FIG. 5 is in the middle at the A small strip 25 is welded onto the lower side of the flattened steel pipe and engages in the groove 26.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Gleitflächen der Verbundbeilagen nach der Erfindung noch durch chemische Behandlung, z. B. mit Molybdändisulfid, oder durch Einlagerungen von Graphit, z. B. im Gewebe 11, verbessert werden können. Um den Einfluß des Stahlmantels 4 bzw. des Stahlrohres 10 auf die plastische Verformung des Plättchens 5 bzw. des Gewebes 11 auf ein Minimum zu reduzieren, kann die an der Tragfläche 1 anliegende Seite der Ummantelung oder des Stahlrohres noch durch Schleifen oder Ätzung mit Säuren in ihrer Wandstärke verringert werden.Finally it should be pointed out that the sliding surfaces of the composite inserts according to the invention nor by chemical treatment, e.g. B. with molybdenum disulfide, or by inclusions of graphite, z. B. in tissue 11 can be improved. To the influence of the steel jacket 4 and the steel pipe 10 on To reduce the plastic deformation of the plate 5 or the fabric 11 to a minimum, the the side of the casing or the steel pipe lying against the wing 1 by grinding or etching can be reduced in their wall thickness with acids.

Claims (10)

Patentanspruch ε-1. Befestigung von Laufschaufeln spröden Werkstoffs in metallischem Schaufelträger mittels zwischen Schaufel und Schaufelträger angeordneter mehrschichtiger Zwischenlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (3, 3') an ihrer, der Schaufel anliegenden Seite eine erste Schicht (5) aufweist, deren Werkstoff bei der durch die Fliehkraft verursachten Beanspruchung fließt und die von einem Mantel (4) aus einem Werkstoff umhüllt ist, der bei der durch die Fliehkraft erzeugten Beanspruchung nicht fließt, daß ferner die Zwischenlage (3, 3') eine zweite Schicht (6) aus einem Stoff aufweist, der bei der durch die Fliehkraft erzeugten Beanspruchung sich nur elastisch verformt, und daß die Berührungsfläche (1) der Zwischenlage (3, 3') mit der Schaufel (21) so groß ist, daß die Druckbeanspruchung der Schaufel niedriger als die Druckfestigkeit des Schaufelwerkstoffes ist.Claim ε-1. Attachment of blades made of brittle material in a metallic blade carrier by means of multilayered blades arranged between the blade and the blade carrier Intermediate layer, characterized in that the intermediate layer (3, 3 ') on its, the blade adjacent side has a first layer (5), the material of which is caused by the centrifugal force Stress flows and which is encased by a jacket (4) made of a material that is used in the stress generated by the centrifugal force does not flow that further the intermediate layer (3, 3 ') a has second layer (6) made of a substance that is exposed to the stress generated by the centrifugal force deforms only elastically, and that the contact surface (1) of the intermediate layer (3, 3 ') with the blade (21) is so great that the compressive stress on the blade is lower than the compressive strength of the blade material is. 2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgrenze des für die erste Schicht (5 bzw. 11) verwendeten Werkstoffes unterhalb etwa 20% der Druckfestigkeit des für die Laufschaufel (21) verwendeten Werkstoffes liegt.2. Fastening according to claim 1, characterized in that the yield point of the for the first layer (5 or 11) material used below about 20% of the compressive strength of the blade (21) used material lies. 3. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgrenze des für die zweite Schicht (6 bzw. 10) verwendeten Werkstoffes erst bei etwa 80°/0 der Druckfestigkeit des für die Laufschaufel (21) verwendeten Werkstoffes erreicht wird.3. Fastening according to claim 1, characterized in that the yield point of the material used for the second layer (6 or 10) is only reached at about 80 ° / 0 of the compressive strength of the material used for the rotor blade (21). 4. Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (4,10) der erstgenannten Schicht (5 bzw. 11) aus Stahl ist.4. Fastening according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the Jacket (4,10) of the first-mentioned layer (5 or 11) is made of steel. 5. Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (3' in Fig. 3) an ihrer dem Schaufelträger zugekehrten Seite eine dritte Schicht (8) aufweist aus einem Werkstoff, der weicher als derjenige der zweiten Schicht (6') ist, und daß diese dritte Schicht (8) auf ein Stahlband (7) aufgebracht ist, das an der zweiten Schicht (6') so befestigt ist, daß es auf der zweiten Schicht (6') gleiten kann.5. Fastening according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the Intermediate layer (3 'in Fig. 3) has a third layer (8) on its side facing the blade carrier made of a material which is softer than that of the second layer (6 '), and that this third Layer (8) is applied to a steel band (7) which is attached to the second layer (6 ') so that it can slide on the second layer (6 '). 6. Befestigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlmantel aus einem flach gedrückten Stahlrohr (10) und die unter der Fliehkraft fließende Schicht aus einem im Stahlrohr eingebetteten Messingdrahtgewebe (11) besteht.6. Fastening according to claim 4, characterized in that the steel jacket consists of a flat pressed steel pipe (10) and the layer that flows under centrifugal force and is made of a layer embedded in the steel pipe Brass wire mesh (11) is made. 7. Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Beilagen (3,3') durch ein U-förmig gebogenes Stahlband (23) miteinander verbunden sind.7. Fastening according to one of claims 1 to 5, characterized in that two enclosures (3,3 ') are connected to one another by a U-shaped bent steel band (23). 8. Befestigung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlband (23) in der Mitte eine Schlaufe (23 a) aufweist, die in eine Nut (24) im Grunde der Befestigungsnut des Schaufelträgers (22) eingreift.8. Fastening according to claim 7, characterized in that the steel band (23) in the middle has a loop (23 a) which engages in a groove (24) basically the fastening groove of the blade carrier (22). 9. Befestigung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Messinggewebe (11) gefüllte flach gedrückte Stahlrohr (10) U-förmig gebogen ist.9. Fastening according to claim 6, characterized in that the with a brass fabric (11) filled flattened steel tube (10) is bent into a U-shape. 10. Befestigung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des U-förmig gebogenen Stahlrohres (10) eine kleine Leiste (25) angebracht ist, die in eine Nut (26) im Grunde der Befestigungsnut des Schaufelträgers (22') eingreift. 10. Fastening according to claim 9, characterized in that bent in the middle of the U-shape Steel tube (10) a small strip (25) is attached, which engages in a groove (26) in the bottom of the fastening groove of the blade carrier (22 '). Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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