DE1911049C3

DE1911049C3 - Gasturbinenschaufel und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1911049C3
Application number: DE19691911049
Authority: DE
Inventors: Stephen Michael Copley; Bernard Henry Kear; Conn. Madison
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-05
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE1911049B2; GB1254215A; DE1911049A1; FR2004271A1; SE347888B

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel mit einem aus einem hochfeuerfesten keramischen Werkstoff bestehenden Schaufelblatt und mit dieses durchziehenden und am Schaufeikopf 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 Rinsi angeordnet sind. Von einer auf der Rotorwelle sitzenden Nabe gehen speichenartige Stabe etwa radial nach außen verlaufend aus. Diese Stäbe treten durch Bohrunsien 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 Rinu und wird dann durch eine weitere Bohrunc 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 Rinti gedrückt und damit unter Druckspannung cesetzt. Hiermit wird die geringe Festigkeit von Kerarnikmaterial gegenüber Zugspannungen ausgeglichen (US-PS 28 55 179).

Bekannt ist weiter eine Gasturbinenschaufel, die an ihren thermisch besonders beanspruchten Eintrittsund Austrittskanten aus Keramikmaterial bestehende Prcfiltcile 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 15511).

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 Einkristall 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 K.obaltbasis 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 Längsbohrurigen 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 fordern, die zu einer säulenförmigen Kornstruklur 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 Werkstofl 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 erfindungsgemäßen Verfahrens i»i 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 Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. I η der Zeichnung ist

F i g. 1 ein Längsschnitt durch eine Form zum Gießen der Gasturbinenschaufel und

F i g. 2 eiin Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in F i g. 1 einer ersten Ausführungsform,
F i g. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. Ί bei einer zweiten Ausführungsform 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 erhiizt 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 F i g. 2 deutlicher dargestellt 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

fio Schaufelblatt 18 aus Keramik weist ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf und kann Temperaturen bis zu etwa 1900 C Widerstand leisten. Vorteilhaft ist eine keramische Masse auf Tonerdebasis. Das Schaufelblatt 18 v/eist eine Vielzahl von Bohrungen 20 auf.

Diese Bohrungen sind Läi:gsbohrungcn 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

;inc Verengung 24 aufweisen. Nach dem Eingießen von geschmolzenem Metall in den Hohlraum 10 und der Erstarrung entsteht eine geregelte säulenförmige Struktur. Die Einkristalle 28 (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 F i g. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen. F i g. 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 Spannungsverteilung und Spannungshöhe ermöglicht wird. Es ist bekannt, daß in der Nähe der Außenseile 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 Ausführungsform darstellt. F i g. 4 zeigt eine Schaufel, bei welcher die Einkrislallfasern 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 gedrückt wird.

35

40

Beispiel

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 Supcrlcgierung Mar-M-200 auf Nickelbasis bestehen (Gewichtsprozent 0,15 C, 9 Cr, 10 Co,

ίο 2Ti, 5Al. 12,5 W, 1,0Nb, 0,05 Zr, 0,015B. 1.5 Fe, 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

20

	a 33 = -	E	V₂ *χ V_x*	E₁ E₂ + £2 V₂	Ui 17'	(
und
	σ 33 =		V_xE	1 E₂ -E₂V₂	hi 17'.	(2)
worin	bedeutet

E₁ durchschnittlicher Young-Modul von Tonerde.
E₂ durchschnittlicher Young-Modul von

Mar-M-200,

K₁ Volumenanteil von Tonerde,
V-. Volumcnanteil der Adern aus Mar-M-200,

= n, —

Ti₁ durchschnittlicher linearer Wärmeausdehnungskoeffizient von Tonerde,

ü₂ durchschnittlicher linearer Wärmeausdehnungskoeffizient von Mar-M-200,
- 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:

-IT =

3,52· 10" kg/cm²,
1,12· 10" kg/cm²,
70 Volumprozent,
30 Volumprozent.
7,8-10-VC.
13,1 · 10~^β/ C und
1000 C

betragen die im keramischen Material bzw. in den Metalladern berechneten Spannungen:

-t„ = 2278 kg cm². (1)

σ,, = 5186 kg cm². (2)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Λ Oft

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenschaufel mit einem aus einem hc-chfeuerfestep. keramischen Werkstoff bestehenden Schaufelblatt und mit dieses durchziehenden and am Schaufelkopf und - fuß festgelegten metallischen Stäben, dadurch gekennzeichn e t, daß die metallischen Stäbe in Bohrungen (20) des Schaufelblattes (18) hineingewachsene Einkristalle (28) und Schaufelkopf und -fuß mit diesen cinstückige 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 kcramitchen 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 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.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Verwendung einer kleineren Form mit einer niedrigeren Kontraktionsgeschwindigkeit als das Einkristallmaterial.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 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