DE1911049B2 - Gasturbinenschaufel und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Gasturbinenschaufel und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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- B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
- B22D27/045—Directionally solidified castings
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel mit einem aus einem hochfeuerfesten keramischen
Werkstoff bestehenden Schaufelblatt und mit dieses durchziehenden und am Schaufelkopf und -fuß festgelegten
metallischen Stäben. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen dieser Gasturbinenschaufel.
Bekannt ist ein Gasturbinenrotor mit aus keramischem Werkstoff bestehenden Turbinenschaufeln, die
radial verlaufend zwischen einem inneren und einem äußeren Ring angeordnet sind. Von einer auf der Rotorwelle
sitzenden Nabe gehen speichenartige Stäbe etwa radial nach außen verlaufend aus. Diese Stäbe
treten durch Bohrungen durch, die etwa radial verlaufend in den Schaufelblättern angeordnet sind.
Ein aus dem radial außen liegenden Ende eines Schaufelblattes, austretender Stab verläuft ein Stück auf dem
äußeren Ring und wird dann durch eine weitere Bohrung des Schaufelblattes zurücklaufend zur Nabe zurückgeführt
und ist dort befestigt. Damit werden die Schaufelblätter ähnlich Wagenrädern mit Speichen
auf der Rotorwelle gehalten. Beim Lauf des Rotors werden die Schaufelblätter durch die Fliehkräfte
an den äußeren Ring gedrückt und damit unter Druckspannung gesetzt. Hiermit wird die geringe Festigkeit
von Keramikmaterial gegenüber Zugspannungen ausgeglichen (US-PS 28 55 179).
Bekannt ist weiter eine Gasturbinenschaufel, die an ihren thermisch besonders beanspruchten Eintrittsund
Ausirittskanten aus Keramikmaterial bestehende Profiliert^ aufweist. Diese Profilteile weisen an ihrer
dem Schaufelblatt zugekehrten Innenkante einen längs verlaufenden verdickten Steg auf. Dieser Steg
wird nach Art einer Schwalbenschwanzführung in einer entsprechend ausgebildeten Nute des Schaufelblattes
gehalten. Damit sind die Profilteile ausreichend sicher mit dem Schaufelblatt verbunden. Keramikmaterial
kann jedoch keine Zugspannungen aufnehmen. Damit besteht die Gefahr, daß die Profilteile durch die bei
den hohen Drehzahlen auftretenden Fliehkräfte mechanisch über ihre Zugfestigkeit hinaus belastet werden.
Im Keramikmaterial können damit Risse auftreten (US-PS 32 15 511).
Bekannt ist weiter eine Gasturbinenschaufel mit einer langgestreckten, säulenförmigen Makrokornstruktur,
bei der die Kristalle im wesentlichen parallel zu der Längsachse der Turbinenschaufel beim Guß
und im wesentlichen auch parallel zu der Hauptbeanspruchungsachse verlaufen. Damit ergibt sich eine
gute Festigkeit gegenüber den im Betrieb auftretenden Kräften. Die Temperaturbeständigkeit dieser ausschließlich
metallischen Gasturbinenschaufel ist jedoch begrenzt (US-PS 32 60 505).
Bekannt ist auch eine ganz aus Keramikmaterial bestehende Turbinenschaufel. In Längsrichtung verlaufen
durch diese Spannstangen. Sie sind nach Art von Hohlnieten ausgebildet. An ihrem oberen und
unteren Ende sind sie flachgeschlagen und liegen mit den dabei entstehenden Köpfen auf der Ober- und
Unterseite der Turbinenschaufel auf. Dieses Flachschlagen der Spannstangenenden bedingt einen besonderen
Arbeitsgang. Besondere Sorgfalt muß aufgewendet werden, um sämtliche Spannstangen gleichmäßig
zu spannen (US-PS 32 71 004).
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel zu schaffen,
die die Temperaturbeständigkeit von keramischem Werkstoff mit der Festigkeit und insbesondere
Zugfestigkeit von metallischem Werkstoff verbindet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Gasturbinenschaufel
der eingangs genannten Gattung vorgesehen, daß die metallischen Stäbe in Bohrungen des Schaufel-
blattes hineingewachsene Einkristalle und Schaufelkopf
und -fuß mit diesen einstückige Platten sind.
Der das Schaufelblatt bildende hochfeuerfeste keramische Werkstoff sichert die Festigkeit gegenüber der
im Betrieb auftretenden thermischen Belastung. Die in Bohrungen des Schaufelblattes hineingewachsenen
und am Schaufelkopf und -fuß verankerten Einkristalle spannen das Schaufelblatt vor und verleihen ihm
Zugfestigkeit. Nach dem Guß schrumpfen die Einkristalle bei der Abkühlung und ihrer Erstarrung
stärker als das beim Gießvorgang ebenfalls erhitzte keramische Material. Bei diesem erhöhten Schrumpfen
der Einkristalle wird das keramische Material des Schaufelblattes auf seiner gesamten Fläche gleichmäßig
in Längs- oder Beanspruchungsrichtung vorgespannt. Auf ungleichmäßige Vorspannung zurückgehende innere
Spannungen sind ausgeschlossen. Im Betrieb können weiter Risse kaum auftreten, da die solche
Risse verursachenden Zugspannungen durch die zwischen Schaufelkopf und -fuß verlaufenden Einkristalle
aufgenommen werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen,
daß der mittlere Bereich des Schaufelblattes aus einem einzigen Kristall einer hochhitzebeständigen
Legierung auf Nickel- und Kobaltbasis besteht.
Zur Kühlung der Gasturbinenschaufel im Betrieb sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Vielzahl
von Kühlmittelbohrungen innerhalb des keramischen Werkstoffes des Schaufelblattes vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß die im Schaufelblatt verlaufenden
Bohrungen entweder nach einem gleichmäßigen oder nach einem ungleichmäßigen Schema
angeordnet sind.
Zum Herstellen der Gasturbinenschaufel sieht die
Erfindung ein Verfahren vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine erste größere Form auf eine
Kühlplatte aufgesetzt wird, daß mindestens eine kleinere zweite Form aus keramischem Werkstoff in der
ersten Form angeordnet wird, wobei die kleinere Form mehrere sie völlig durchziehende Längsbohrungen
aufweist, daß die erste Form mit geschmolzenem Metall gefüllt wird, daß eine einseitig gerichtete
Erstarrung des geschmolzenen Metalls in einer von der Kühlplatte abgehenden Richtung bewirkt wird, daß
das Wachstum eines Schaufelfußes aus einseitig gerichtetem Material zwischen der Kühlplatte und dem
Boden der kleineren Form ermöglicht wird, daß das Wachstum von Einkristallen in den Längsbohrungen
gefördert wird, daß das Wachstum eines Schaufelkopfes aus einseitig gerichtetem Material oberhalb des
oberen Endes der kleineren Form ermöglicht wird und daß die kleinere Form auf Kompression vorgespannt
wird.
Nach dem Eingießen wird der Temperaturgradient in der größeren Form geregelt, um die gerichtete
Erstarrung der ganzen Schmelze mit einer Geschwindigkeit zu fördern, die zu einer säulenförmigen Kornstruktur
führt. Die Grobkörnigkeit der säulenförmigen Kornstruktur am Fuß der kleineren Form gewährleistet,
daß sich in jeder der vielen verhältnismäßig kleinen Bohrungen nur Einkristalle entwickeln. Die
einzelnen Kristallfasern wachsen am oberen Ende der Form wieder zusammen. Bei der Herausnahme
der fertigen Gasturbinenschaufel aus der ersten Form ist es wichtig, an Fuß und Kopf wenigstens einen
Teil der säulenförmigen Kornstruktur beizubehalten. Dieser letztere Vorgang ist wichtig, weil während der
Abkühlung der Schmelze der keramische Werkstoff auf Druck vorgespannt wird wegen der verschiedenen
thermischen Zusammenziehung von Metall und Keramik. Die Aufrechterhaltung der einseitig gerichteten
säulenförmigen Strukturen an Kopf und Fuß bewirkt diese entwickelte nützliche Druckspannung infolge
der größeren thermischen Zusammenziehung der Kristallfasern.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des trfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch Verwendung einer kleineren Form mit einer niedrigeren Kontraktionsgeschwindigkeit als das Einkristallmaterial. Schließlich ist noch vorgesehen, daß ein Teil des einseitig gerichteten Materials an Fuß und Kopf der kleineren Form beibehalten wird, wenn diese aus der größeren Form entnommen wird.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des trfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch Verwendung einer kleineren Form mit einer niedrigeren Kontraktionsgeschwindigkeit als das Einkristallmaterial. Schließlich ist noch vorgesehen, daß ein Teil des einseitig gerichteten Materials an Fuß und Kopf der kleineren Form beibehalten wird, wenn diese aus der größeren Form entnommen wird.
Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Aus-/uhrungsformen
wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist
Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Form ium Gießen
der Gasturbinenschaufel und
F i g. 2 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1 einer ersten Ausführungsform,
F i g. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in F i g. I bei einer zweiten Ausfuhrungsform und
F i g. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in F i g. I bei einer zweiten Ausfuhrungsform und
F i g. 4 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 bei einer dritten Ausführungsform.
Eine Form 4 steht auf einer verhältnismäßig kühlen, wärmeleitenden und vorzugsweise wassergekühlten
Kühlplatte 6. Die Form 4 besteht vorzugsweise aus keramischem Material. Das Wasser für die Kühlplatte
6 wird durch Leitungen 8 zugeführt. Form 4 und Kühlplatte 6 umschließen einen Hohlraum 10.
In diesen führt ein Einlauf 12, durch welchen geschmolzenes Metall zugeführt wird.
Den Hohlraum 10 umschließt eine Einrichtung zum Erhitzen der Form auf die für den Guß gewünschte
Temperatur. Im gezeigten Fall handelt es sich um eine elektrische Widerstandsheizung 14. Der Hohlraum
kann aber auch induktiv geheizt werden. Vor dem Guß wird die Form auf die gewünschte Temperatur
erhitzt. Dann wird das geschmolzene Metall, das auf die für das Gießen erforderliche Temperatur erhitzt
ist, in den Hohlraum 10 eingegossen. Die Kühlplatte 6 wird auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur
gehalten, um in dem mit dem geschmolzenen Metall gefüllten Hohlraum 10 beim Erstarren des
Metalls ein Temperaturgefälle zu erzeugen.
Eine Form 16 aus keramischem Werkstoff ist in den Hohlraum 10 eingesetzt. Obwohl nur eine Form gezeigt
ist, kann selbstverständlich eine Vielzahl von Formen gleichzeitig verwendet werden. Die in die
Form 4 eingesetzte Form 16 ist eine Statorschaufel, was in Fig. 2 deutlicher dargestelk ist. Ihr Schaufelblatt
18 besteht aus einem keramischen Werkstoff mit einer verhältnismäßig niedrigen Zugfestigkeit von
etwa 3,1 bis 6,2 kg/cm2. Für manche Anwendungen kann jedoch ein Werkstoff mit einer hohen Zugfestigkeit
erwünscht sein und verwendet werden. Das Schaufelblatt 18 aus Keramik weist ausgezeichnete
Hitzebeständigkeit auf und kann Temperaturen bis zu etwa 19000C Widerstand leisten. Vorteilhaft ist
eine keramische Masse auf Tonerdebasis. Das Schaufelblatt 18 weist eine Vielzahl von Bohrungen 20 auf.
Diese Bohrungen sind Längsbohrungen und erstrecken sich vom Fuß 22 nach aufwärts zum Kopf 30. Um das
Wachstum einzelner Kristalle in diesen Längsbohrungen zu fördern, können diese am unteren Ende 22
eine Verengung 24 aufweisen. Nach dem Eingießen von geschmolzenem Metal! in den Hohlraum 10 und
der Erstarrung entsteht eine geregelte säulenförmige Struktur. Die Einkristalle28 (Fig. 2), die in den
Bohrungen 20 wachsen, wachsen am Kopf 30 zusammen und bilden diesen, und dessen säulenförmige
Kornstruktur ist in der gleichen Richtung eingestellt wie die säulenförmige Kornstruktur am Fuß 22.
Nach diesem Guß und dem Wachsen der Einkristalle 28 wird die Schmelze abkühlen gelassen. Als
Ergebnis dieser Abkühlung wird das aus keramischem Werkstoff bestehende Schaufelblatt 18 infolge der
stärkeren thermischen Zusammenziehung der Einkristalle auf Druck vorgespannt. Diese Druckspannung,
die im Schaufelblatt 18 entwickelt wird, beseitigt die Rißkernbildung, bewirkt eine Schließung von Rissen
bei erhöhten Temperaturen und vermindert die Ausbreitung von Rissen.
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen.
Fig. 3 zeigt eine Gasturbinenschaufel, bei welcher die Einkristalle 28 gleichmäßig im Schaufelblatt
18 verteilt sind. F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Einkristalle 28 ungleichmäßig
verteilt sind. Dies ist erwünscht, weil dadurch die Ausbildung einer Schaufel mit der gewünschten Span- 2$
nungsverteilung und Spannungshöhe ermöglicht wird. Es ist bekannt, daß in der Nähe der Außenseite eine
gleichmäßig hohe Druckspannung erforderlich ist, um den Beginn der Rißbildung und ein Rißwachsen
im keramischen Werkstoff zu verzögern. Die Einkristallfasern sollen daher sehr dünn sein und in
geringem Abstand voneinander liegen. Ihrer Größe und ihrem Abstand werden jedoch sowohl durch das
Gießen des Metalls als auch durch die Formverfahren des keramischen Materials Beschränkungen auferlegt.
Durch Aufrechterhalten eines verhältnismäßig konstanten Anteils von Metall von der Eintritts- bis
zur Austrittskante entsteht eine Schaufel, die keine Biegemomente aufweist, was die bevorzugte Ausfuhrungsform
darstellt. F i g. 4 zeigt eine Schaufel, bei welcher die Einkristallfasern 28 durch ein Kühlmittel
gekühlt werden, das durch Bohrungen 32 umläuft. Diese Ausführungsform bietet einige deutliche
Vorteile. Die Höhe der Druckspannung im keramischen Werkstoff wird selbst bei Betriebstemperaturen
verhältnismäßig groß sein. Eine Spannungsentlastung innerhalb der Kristallfasern wird infolge der höheren
Standfestigkeit bei niedrigeren Metalltemperaturen bei viel niedrigeren Drehzahlen eintreten. Wenn eine
innere Kühlung der Kristallfasern nicht durchführbar ist, beispielsweise an den Kanten der Schaufel, wo die
Fasern einen kleinen Durchmesser aufweisen, kann eine äußere Kühlung bewirkt werden, indem Luft durch
kleine Durchlässe rund um die Fasern oder durch Durchlässe im keramischen Werkstoff selbst gedruckt
wird.
Ein zusammengesetzter Bauteil, 'bei welchem die feuerfeste Masse aus 99% Tonerde besteht (McDanel
AP 35 der Firma McDanel Refractory Porcelain Co., Beaver Falls, Penns.) und die Einkristalladern, die
durch Längsbohrungen innerhalb der Masse hindurchgehen, aus der Superlegierung Mar-M-200 auf Nickelbasis
bestehen (Gewichtsprozent 0,15 C, 9Cr, 10 Co,
2Ti. 5Al, 12,5 W, 1,0Nb, 0,05Zr, 0,015 B, 1,5Fe, Rest Ni). Längsbohrungen mit einem Durchmesser
von 0,76 mm liegen in einer sechseckigen Anordnung innerhalb der feuerfesten Masse in einem geringen
Abstand voneinander. Bei einem Mittelpunktsabstand der Bohrungen von 1,35 mm enthält die feuerfeste
Masse nach dem Gießen 30 Volumprozent Einkristalladern. Die Spannung in der feuerfesten Masse bzw.
in den Metalladern beträgt
worin bedeutet
V2E1E2
E1 K1 + E2 V2
E1 V1 + E2V2
I« IT (1)
IT (2)
E1 durchschnittlicher Young-Modul von Tonerde,
E, durchschnittlicher Young-Modul von
E, durchschnittlicher Young-Modul von
Mar-M-200,
V1 Volumenanteil von Tonerde,
V2 Volumenanteil der Adern aus Mar-M-200.
V2 Volumenanteil der Adern aus Mar-M-200.
Tm = (I1 — «2>
(I1 durchschnittlicher linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
von Tonerde,
ä2 durchschnittlicher linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
von Mar-M-200,
- IT Betriebstemperatur-Umgebungstemperatur.
- IT Betriebstemperatur-Umgebungstemperatur.
Es wird angenommen, daß die Spannung im keramischen Material und in den Metalladern bei der Betriebstemperatur
Null beträgt.
Wenn die folgenden Werte eingesetzt werden:
E1 = 3,52-106 kg/cm2,
E2 = 1,12-106 kg/cm2,
V1 = 70 Volumprozent,
V2 = 30 Volumprozent,
Z = 13,1 ■ 10"YC und
-IT= 10000C
-IT= 10000C
betragen die im keramischen Material bzw. in den Metailadern berechneten Spannungen:
σ33 = 2278 kg/cm2, (1)
a33 = 5186 kg/cm2. (2)
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Gasturbinenschaufel mit einem aus einem hochfeuerfesten keramischen Werkstoff bestehenden
Schaufelblatt und mit dieses durchziehenden und am Schaufelkopf und - fuß festgelegten metallischen
Stäben, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Stäbe in Bohrungen (20)
des Schaufelblattes (18) hineingewachsene Einkristalle (28) und Schaufelkopf und -fuß mit diesen
einstückige Platten (22,30) sind.
2. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich des
Schaufelblattes (16) aus einem einzigen Kristall einer hochhitzebeständigen Legierung auf Nickel-
und Kobaltbasis besteht.
3. Gasturbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 und 2. gekennzeichnet durch eine Vielzahl von
Kühlmittelbohrungen (32) innerhalb des keramisehen Werkstoffes des Schaufelblattes (18).
4. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (20)
nach einem gleichmäßigen Schema im Schaufelblatt (18) angeordnet sind.
5. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (20)
nach einem ungleichmäßigen Schema im Schaufelblatt (18) angeordnet sind.
6. Verfahren zum Gießen einer Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste größere Form auf eine Kühlplatte aufgesetzt wird, daß mindestens eine
kleinere zweite Form aus keramischem Werkstoff in der ersten Form angeordnet wird, wobei die kleinere
Form mehrere sie völlig durchziehende Längsbohrungen
aufweist, daß die erste Form mit geschmolzenem Metall gefüllt wird, daß eine einseitig
gerichtete Erstarrung des geschmolzenen Metalls in einer von der Kühlplatte abgehenden Richtung
bewirkt wird, daß das Wachstum eines Schaufelfußes aus einse;tig gerichtetem Material zwischen
der Kühlplatte und dem Boden der kleineren Form ermöglicht wird, daß das Wachstum von
Einkristallen in den Längsbohrungen gefördert wird, daß das Wachstum eines Schaufelkopfes
aus einseitig gerichtetem Material oberhalb des oberen Endes der kleineren Form ermöglicht wird
Und daß die kleinere Form auf Kompression vorgespannt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Verwendung einer kleineren Form mit einer
niedrigeren Kontraktionsgeschwindigkeit als das Einkristallmaterial.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn-Zeichnet,
daß ein Teil des einseitig gerichteten Materials an Fuß und Kopf der kleineren Form beibehalten
wird, wenn diese aus der größeren Form entnommen wird.
60
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DE1911049B2 true DE1911049B2 (de) | 1975-04-17 |
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FR (1) | FR2004271A1 (de) |
GB (1) | GB1254215A (de) |
SE (1) | SE347888B (de) |
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- 1969-03-19 FR FR6907227A patent/FR2004271A1/fr not_active Withdrawn
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