DE1808975A1

DE1808975A1 - Schaufel fuer Stroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE1808975A1
Application number: DE19681808975
Authority: DE
Inventors: Jack Raymond; Bryant Rodney Trenchard
Original assignee: IMI Kynoch Ltd; Rolls Royce PLC
Current assignee: IMI Kynoch Ltd; Rolls Royce PLC
Priority date: 1967-11-16
Filing date: 1968-11-14
Publication date: 1969-08-07
Also published as: DE1808975B2; FR1591831A; GB1209478A; US3549273A

Description

PATENTANWÄLTE 1 8 Π 8 9 7 5

DIPL.-ING. CURT WALLACH DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 14.November 1968

UNSER ZEICHEN, ^ll687 "

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.

Imperial Metal Industries (KYNOCH) Limited, Kynoch Works, Witton,

Birmingham 6, England

Schaufel für Strömungsmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel für Strömungsmaschinen, insbesondere auf eine in Gasturbinenstrahltriebwerken anwendbare Schaufel. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Turbinenrotorschaufel, jedoch ist die Erfindung auch für Kompressorschaufeln anwendbar. Unter dem Begriff "Schaufel" soll im weiteren Sinne jedoch auch eine andere Leitfläche, beispielsweise eine Düsenleitschaufel verstanden werden.

Eine Turbinenrotorschaufel besteht gewöhnlich aus zwei Hauptteilen, nämlich der eigentlichen Arbeitsschaufel, auf die die Gase auftreffen, und einem Schaufelfuß,mit dem die Schaufel in einem Träger verankert ist und der die Kräfte von dem Schaufelkörper auf den Träger überträgt.

Schaufeln für Gasturbinenstrahltriebwerke werden gewöhnlich durch Schmieden und eine weitere Bearbeitung hergestellt, die für die betreffende Legierung geeignet ist. Die Wahl der Legierung, aus der die Schaufel gefertigt wird, ist immer ein Kompromiß, um den Betriebsbedingungen gerecht zu werden, die sowohl fax den Schaufelfuß als auch den Schaufelkörper beeinflussen,und dieser Kompromiss berücksichtigt z.B. die Natur der auftreffenden

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Gase und die Betriebstemperaturen und die auftretenden Spannungen. Ein Schaufelkörper muß z.B. fest sein und er darf unter hohen Zentrifugalbeanspruchungen bei erhöhten Temperaturen nur einer begrenzten Kriechdeformation ausgesetzt sein. Außerdem muß der Schaufelkörper,selbst wenn er auf geeignete Weise überzogen wird, einer Oxydation durch die auftreffenden Gase Widerstand entgegensetzen.

Andererseits muß der Schaufelfuß eine relativ hohe Festigkeit aufweisen, um den hohen Zentrifugalbiege- und Vibrationsbeanspruchungen widerstehen zu können, denen der Schaufelfuß im Betrieb ausgesetzt ist. Andererseits ist der Schaufelfuß nicht derart hohen Temperaturen ausgesetzt.. Jedoch sollte der Schaufelfuß ebenfalls gegen Oxydation widerstandsfähig sein und den niedrigeren Temperaturen widerstehen können, ohne daß es notwendig ist, ihn mit einem die Oxydation verhindernden Überzug auszustatten.

Gemäß der Erfindung ist eine Schaufel für eine Strömungsmaschine in der Weise ausgebildet, daß wenigstens ein Teil des Schaufelfusses und des Schaufelkörpers aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt ist.

Der Schaufelfuß und/oder der Schaufelkörper kann aus mehreren Teilen hergestellt sein, die wMerum aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sind.

Vorzugsweise sind die unmittelbar benachbarten Teile von Schaufelfuß und Schaufelkörper aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt.

Jede der Legierungen kann als Grundlage das gleiche Metall haben. Z.B. kann als Grundlage beider Legierungen Niob oder Titan Verwendung finden.

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Die einzelnen Teile der Schaufel können durch Reibungsverschweißung miteinander verbunden werden, obgleich auch andere Schweißverfahren Anwendung finden können, z.B. eine Diffusionsverschweißung, Widerstandsstumpfsehweißung, Druckschweißung oder LichtbogensGhweißung.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung der Schaufel unter Anwendung eines Schweißverfahrens zur Verbindung von Schaufelfuß und Schaufelkörper. Gemäß der Erfindung werden wenigstens die einander benachbarten Teile von Schaufelfuß und Schaufelkörper aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt, deren Ausdehnungskoeffizient derart gewählt ist, daß bei Temperaturbeanspruchung ein Bruch an der Schweißstelle infolge unterschiedlicher Ausdehnung verhindert wird.

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur Herstellung der Schaufel, gemäß welchem eine Verschweißung zwischen dem Schaufelfußrohling und dem Schaufelkörperrohling hergestellt wird, wobei die Schaufel mit der Schweißstelle zwischen Schaufelfuß und Schaufelkörper geschmiedet wird und wobei wenigstens Jene Teile, die dem Schaufelfuß bzw. dem Schaufelrohling benachbart sind, aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt werden, deren Ausdehnungskoeffizienten derart gewählt sind, daß ein Bruch an der Schweißstelle verhindert wird.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung veranschaulicht. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht eines mit Schaufeln gemäß der Erfindung ausgestatteten Gasturbinenstrahl tri ebwerks,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer der Schaufeln des Triebwerks nach Fig.l,

Fig.. j5 eine Schnittansicht zweier miteinander verbundener Rohlinge, die zur Herstellung der Schaufel benutzbar sind, Fig. 4 eine schematische Ansicht der miteinander verbundenen Rohlinge, nachdem sie zur Erzeugung einegabgeflachten Querschnitts geschmiedet sind,

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Fig. 5 die Lage der Bruchstelle des von dem zusammengesetzten Rohling nach Pig.4 gebildeten Zugstabes.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10, das in Strömungsrichtung hintereinander einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12 und eine Turbine 15 aufweist, deren Abgase über einen Abgaskanal Ik in die Atmosphäre ausgestoßen werden.

Die Turbine Yp ist mit einem Rotor 15 ausgestattet, der Rotorschaufeln 16 trägt.

Wie aus Fig.2 ersichtlich, besteht jede Rotorschaufel 16 aus einem 'iöannenbaumfuß 20. und einem getrennten Schaufelkörper 21, der am Schaufelfuß 20 durch eine Verschweißung 22 festgelegt ist. Der Schaufelfuß 20 und der Schaufelkörper 21 bestehen aus unterschiedlichen Legierungen, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß ein Bruch der Schaufel 16 an der Schweißstelle 22 verhindert wird.

Jede der beiden Legierungen weist das gleiche gemeinsame Legierungsgrundmetall, z.B. Niob, auf. So kann der Schaufelkörper 20 aus einer Niob-Legierung bestehen, die YJ% Wolfram, 3,5% Hafnium und 0,08# Kohlenstoff enthält (sämtlich Gewichtsprozente). Der Schaufelfuß 21 kann aus einer Nioblegierung hergestellt sein, die 10$ Molybdän und 10$ Titan enthält (sämtlich Gewichtsprozente)

Falls erforderlich, können auch nur. die unmittelbar benachbart zueinander liegenden Teile von Schaufelfuß und Schaufelkörper aus den genannten unterschiedlichen Legierungen hergestellt sein, jedoch werden vorzugsweise der gesamte Schaufelfuß und der gesamte Schaufelkörper aus diesen unterschiedlichen Legierungen bestehen.

Sowohl der Schaufelfuß 20 als auch der Schaufelkörper 21 können, falls erforderlich, aus mehreren Teilen bestehen, die wiederum aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sind.

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Wie schematisch in PigO dargestellt, kann Jede der Schaufeln l6 durch Verschweißung 22, z.B. durch Reibungsverschweißung, zwishen einem Schaufelfußrohling 23 und einem Schaufelkörperrohling 24 hergestellt werden, wobei nach der Verschweißung die Schaufel derart geschmiedet wird, daß bei der fertigen Schaufel die Schweißstelle 22 im wesentlichen an der Verbindung .zwischen Schaufelfuß 20 und Schaufelkörper 21 zu liegen kommt.

Um die Reibungsverschweißung durchzuführen, werden die Rohlinge 2^,24 koaxial mit ihren Enden aneinandergefügt und ein Teil wird stationär gehalten, während der andere mit hoher Drehzahl rotiert, während die beiden Rohlinge aufeinandergepreßt werden. Wenn die Temperatur genügend hoch ist, wird die Drehung des rotierenden Rohlings angehalten und die benachbarten Enden werden z.B. unter eina? Belastung von 1,5 Tonnen für Rohlinge 23,24 aufeinandergedrückt, deren Durchmesser 10 mm (3/6 Zoll) beträgt. Auf diese Weise wird die Schweißstelle 22 hergestellt. Dies führt auch zur Bildung des Preßgrates 25 in der weicheren Legierung des Rohlings 24 und es kann auch ein nichtdargestellter Grat an der Schweißstelle in der härteren Legierung gebildet werden. Diese Grate werden dann entfernt und der so verbundene Rohling wird geschmiedet, um die Schaufel auf ihre Endgestalt zu bringen.

Fig.4 und 5 veranschaulichen Versuchsstücke, die aus dem zusammengefügten Rohling hergestellt wurden. Fig.4 zeigt einen Verbundrohling, nachdem er im Vakuum bei 1300⁰C eine Stunde lang behandelt und anschließend bei 800 C in Luft geschmiedet wurde, um den in Fig.4 dargestellten abgeflachten Querschnitt zu erhalten.

Fig.5 zeigt einen Normzugstab 26, der aus einem Verbundrohling durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt wurde. Der Zugversuch, der unter 450 C durchgeführt wurde, ergab eine Zerreißfestigkeit von 4,6 χ 10-⁵ kg/cm² (29,3 tons/square inch). Die Bruchstelle liegt von der Schweißstelle 22 entfernt, was erkennen läßt, daß die Schweißstelle 22 stärker ist als die schwächere der Hauptlegierungen.

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Eine aus dem Verbundrohling geschmiedete und bearbeitete Turbinenschaufel bedarf keiner speziellen Wärmebehandlung noch ist ein Überzug für den Schaufelfuß erforderlich. Der Grund dafür liegt darin, daß die Festigkeit und der Oxydationswiderstand, den der Schaufelfuß bei Temperaturen unter 600°C besitzt, ohne weiteres ausreichend ist, während der Schaufelkörper eine gute Wärmezerreißfestigkeit unter den Arbeitstemperaturen besitzt.

Die jeweiligen Legierungen müssen nicht die obenerwähnten Legierungen sein. Z.B. könnte der Schaufelkörper aus einer Chromlegierung hergestellt sein, die eine gute Festigkeit bei hohen und mittleren Temperaturen besitzt, jedoch eine geringe Festigkeit bei niedrigen Temperaturen. Der Schaufelfuß könnte aus einer Metallegierung hergestellt sein, die eine gute Festigkeit bei niedrigen Temperaturen besitzt.

Die Teile der Schaufel könnten auch durch Diffusionsschweißen, elektrisches Widerstands-Stumpfschweißen, durch Druckschweißen oder durch Lichtbogenschweißen zusammengefügt werden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

.1. Schaufel für Strömungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil von Schaufelfuß bzw. Schaufelkörper (20 bzw.21) der Schaufel(16)aus unterschiedlichen Legierungen besteht.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaufelfuß und/oder der Schaufelkörper aus mehreren Teilen besteht, die aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sind.
J5. Schaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar benachbarten Teile von Schaufelfuß und Schaufelkörper aus unterschiedlichen Legierungen bestehen.
4. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Legierungen als Grundbestandteil ein gemeinsames Metall besitzt.
5· Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Legierungen eine Niob- oder eine Titanlegierung ist.
6. Schaufel nach einem'der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die verschiedenen Teile der Schaufel (16) durch Reibungsverschweißung miteinander verbunden sind.
7· Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufel die Turbinenrotorschaufel eines Gasturbinenstrahltriebwerks ist.

•A 909B32/Q888
8. Verfahren zur Herstellung einer Schaufel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Schaufelfuß und Schaufelkörper (20 bzw.21) der Schaufel (16) miteinander verschweißt werden, wobei wenigstens die benachbarten Teile von Schaufelfuß und Schaufelkörper aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sind, deren Ausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß ein Bruch an der Schweißsteile vermieden wird.

9· Verfahren zur Herstellung einer Schaufel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Verschweißung zwischen einem Schaufelfußrohling (23) und einem Schaufelkörperrohling (24) hergestellt wird und daß die Schaufel geschmiedet wird, wobei die Verschweißung im wesentlichen an der Verbindung zwischen Schaufelfuß und Schaufelkörper (20,21)· der Schaufel liegt, wobei wenigstens benachbarte Teile von Schaufelfuß und Schaufelkörper aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sind, deren Ausdehnungskoeffizient so ist, daß die Schaufel an der Verschweißung nicht brechen kann.

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