DE2013937A1

DE2013937A1 - Schaufel Scheiben Verbindung

Info

Publication number: DE2013937A1
Application number: DE19702013937
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Dr 8033 Krailhng Hansen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1970-03-24
Filing date: 1970-03-24
Publication date: 1971-10-07
Also published as: GB1338652A; FR2085088A5

Description

MOTOEEN- UHD TUBBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH.

München, den 13. März 1970 Schaufel-Scheiben- Verbindung

Jedes Turbinenrad einer Gasturbine erfüllt zwei grundverschiedene Aufgaben: die Turbinenschaufeln wandeln nach den Gesetzen der Thermodynamik und der Strömungsmechanik die Verbrennungsenergie eines Kraftstoffes um in ein Drehmoment oder einen Schubstrahl . Die Hauptbeanspruchungen der, Schaufeln ergeben sich aus den extrem hohen Temperaturen, den unter Umständen raschen Lastwechseln und der hohen Umfangsgeschwindigkeit.

In der Turbinenscheibe sind bekanntlich die Schaufeln lösbar oder unlösbar befestigt. Im Falle eines Wellen-Leistungstriebwerkes überträgt die Scheibe das Drehmoment auf eine Welle. Die Beanspruchung der Scheibe ergibt eich einerseits aus der sehr hohen Zentrifugalkraft durch die Schaufeln. Andererseits muß die Scheibe genügend höh· Festigkeit besitzen, um auch die eigene Masse zu tragen.

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In zahlreichen Turbinenausführungen müssen Schaufel und Scheibe nach getrennter Bearbeitung lösbar oder unlösbar miteinander verbunden werden. Das ist notwendig aus Gründen der Bearbeitbarkeit der Teile und aus Werkstoffgründen: Die Schaufeln müssen aus hochwarmfesten Legierungen bestehen, welche auch den sogenannten "Thermoschocks" standhalten. Die Scheiben brauchen in der fiegel nicht so hochwarmfest zu sein, dafür müssen sie ausreichende Zähigkeit und hohe Zerreißfestigkeit besitzen.

Lösbare Verbindungen sind bei kleinen Turbinenrädern problematisch sowohl aus konstruktiven Gründen wie auch wegen der schwierigen Fertigung und hohen Kerbspannungen.

Ein direktes Einschweißen von Schaufeln in einen Badkörper hat den großen Nachteil, daß die zwangsläufig verbleibenden Eigenspannungen sich der Betriebsbeanspruchung gerade dort überlagern, wo ohnehin eine Schwachstelle des gesamten Systems liegt: an Übergang von Schaufel zu Scheibe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung für Gasturbinen zu schaffen, die sich durch einen möglichst gleichmäßigen Kraft«übergang zur Schaufel-Scheiben-Verbindung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungagtmäß dadurch gelost, daß wischen einer Schaufel oder mehreren am Umfang der Radscheibe angeordneten

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Schaufeln und der Radscheibe ein in entsprechendem Schaufel-.... profil ausgearbeitetes Segment vorgesehen ist, welches einerseits mit der Radscheibe elektronenstrahlverschweißt und andererseits mit der Schaufel hochtemperaturverlötet ist.

Die Segmente sind als Einzelschaufelsegmente getrennt voneinander angeordnet oder es sind zwei oder mehrere Segmente, als Mehrschaufelsegmente miteinander verbunden. Die Schaufel ist in einem pro-

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filförmigen Schlitz des Segmentes kraft- und formschlüssig eingelötet. . ·

Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß der Querschnitt des Segmentes dem Schaufelprofil angepasst ist und daß das Segment gegen die Schaufel hin. konisch verläuft. ■ . .

Der mit.der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die hohen, Tangent ialspannungen von dem Bereich der eigentlichen Schaufelbefestigung fern gehalten werden. Bei der Verschweißung des | Segmentes mit der Radscheibe ist wesentlich, ob beim Austritt des -ElektronenstrahleB Schweißperlen auftreten und damit ein ungleichmäßiger Übergang entsteht. Um eine mechanische, oder elektro- -iohemische Nacharbeit zu ermöglichen, wird in der weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Berührungsflächen zwischen den Segmenten und der Radscheibe durch einen Spalt ge-r trennt sind*/Um die .Zufuhr, ,der Verdichter luft zum Zwecke der

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inneren Kühlung der Schaufel bzw. zur Kühlung der Schaufelfüße zu erreichen, wird weiterhin gemäß der Erfindung vorgeschlagen, in oder zwischen den Segmenten an sich bekannte Kühlkanäle vorzusehen.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindung werden zwei Verfahren vorgeschlagen, wobei das erste Verfahren darin besteht, zuerst die Schaufel mit den Segmenten mittels Hochtemperatur-löten zu verbinden und dann diese Segmente einzeln nacheinander am Umfang der Badscheibe mittels Elektronenstrahl Schweißung aufzuschweißen.

Das zweite Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Elektronenstrahl schweißung der einzelnen Segmente mit der Badscheibe und anschließend erst das Einlöten sämtlicher Schaufeln in den zugehörigen Segmenten in einem einzigen Vorgang durchgeführt wird. In diesem Falle ist eine Ofenlötung vorzusehen« Dieses zweitgenannte Verfahren bietet den zusätzlichen Vorteil, daß in einem einzigen Lötvorgang sämtliche Schaufeln eines Turbinenrades befestigt werden können.

Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Herstellung besteht darin, daß die Schweißung entweder von einer Seite oder gleichzeitig von beiden Seiten der zu verschweißenden Berührungsfläche durchgeführt wird, wobei die Elektronenstrahlkanonen direkt gegenüber liegen oder um einen gewissen Winkel gegeneinander ver-

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setzt sind. Die Gestaltung der Berührungsflächen bzw. die Richtung des Elektronenschweißstrahles "beim Schweißen soll ferner derart gewählt werden, daß die tu verschweißende Tiefe zusammengenommen nur einer geringen Änderung unterliegt. Auf diese Weise werden unerträglich hohe Schwankungen der Schweißung vermieden.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils in Teilansicht:

lig.1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel-Scheiben-Verbindung.

Pig. 2 einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel-Scheiben-Verbindung·

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ig* 3 eine Draufsicht der Berührungsflächen zwischen Segment und Scheiben.

In fig. 1 ist ersichtlich, daß am Umgang der Scheibe 3 in einem Abstand, der der Spaltbreite s entspricht, die Segmente 2 an der Berührungsfläche 5 mittels Schweißung befestigt sind. Die Segmente die eich nach oben hin verjüngen und sich zu einer Abschlußplatte

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erweitern, weisen beispielsweise in ihrem Grundriß die Form eines Parallelogramms auf, um sich, der Anordnung des Profiles der Schaufel 1 anzupassen. Die Segmente sind nicht miteinander verbunden; sie sind als Einzelschaufelsegment ausgebildet. Die Schaufel 1 ist in einem schaufelprofil-förmigen Schlitz des Segmentes 2 eingelötet, wobei die Lötverbindung mit 4 bezeichnet ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß !ig. 2 zeigt bei sonst weitgehender Übereinstimmung mit Fig. 1, daß swei aneinanderschließende Segmente 2a und 2b an den Verbindungsstellen 7 verschweißt sind, so daß diese Verbindung ein Hehrs chaufel segment charakterisiert.

Beispielsweise wird zwischen den Segmenten 2a und 2b ein Kanal 6a gebildet, durch den Verdichterluft zum Zwecke der Kühlung der Schaufelfüße strömt. Da durch den Spalt mit der Breite β gebildete Zwischenraum ist durch Schrägbohrungen 6 (Kühlluftbohrungen) mit den Schaufel fußen verbunden. Die Schaufeln 1 sind mit einem Kühlsystem für deren innere Kühlung ausgestattet, welcher mit Hilfe der strichlierten Linie angedeutet ist.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die parallelogrammförmigen Berührungsflächen 5, welche jeweils durch den Spalt mit der Breit· a unterteilt sind. Der Pfeil SE, welcher in der Ebene der Berührungsfläche 5 liegt, gibt die Schweißstrahlrichtung z.B. einer Elektronen« trahl-Kanone an.

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Claims

MOTOBES -UND TUBBIEEN-UNIOir
MÜNCHEN GMBH.

München, den 13. März 1970

Pat ent a η s ρ r ü c h e

.JUnlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Schaufel (1) oder mehreren am Umfang der Badscheibe (3) angeordneten Schaufeln und der Badscheibe (3) ein entsprechend dem Schaufelprofil ausgearbeitetes Segment (2) vorgesehen ist, welches einerseits mit der Badscheibe elektronenstrahl-verschweißt und andererseits mit der Schaufel hochtemperatur-verlötet ist.

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2. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente getrennt voneinander angeordnet sind (Einzelschaufelsegment) oder zwei oder mehrere Segmente miteinander verbunden sind (Mehrschaufelsegment).
3. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel in einem profilförmggen Schlitz des Segmentes kraft-und formschlüssig eingelotet ist.

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4. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach den Insprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Segmentes dem Schaufelprofil angepasst ist.
5. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach den insprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment gegen die Schaufel hin konisch verläuft.

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6. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen (5) zwischen den Segmenten und der Scheibe durch einen Zwischenraum (2) mit der Spaltbreite (s) getrennt sind.

7. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in oder zwischen den einzelnen Segmenten an sich bekannte Kuh 1 luftkanale (6, 6a) vorgesehen sind.

8. Unlösbare Schaufel-Scheiben-Verbindung nach den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß jeweils von de« Zwischenraum (2) Kühlluftkanäle (6) eu den in den benachbarten Segaenten (2a, 2b) befindlichen Schaufel fußen führen, wobei die
Schaufel selbst mit einem an sich bekannten Kühlsystem für
die innere Kühlung ausgerüstet ist.

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■9·■ Verfahren.- zur Herstellung einer .-unlösbaren; ■Schaufel-Scheiben-Verbindung für Gasturbinen nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß zuerst die Schaufel mit den Segmenten mittels Hochtemperatur-löten und anschließend diese Segmente Ainzeln nacheinander am Umfang der Radscheibe mit dieser mittels des Elektronenstrählschweiß-Verfahrens verbunden' werden. ■"■,■■■"..= - -- .' --7 ,. ■■■<■■■-·■-·

10. Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Schaufel-Scheiben^- Verbindung für Gasturbinen nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlverschweißung der einzelnen Segmente mit der Radscheibe und erst anschließend das Einlöten sämtlicher Schaufeln in den zugehörigen Segmenten in einem einzigen Vorgang durchgeführt wird. - ..

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichn.et, daß für das Einloten der Schaufeln in den Sggmenten eine Ofenlötung vorgesehen ist. '

12. Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Schaufel-Scheibenri VerbindUÄg für Gasturbinen, nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den zu verschweißenden Berührungsflächen (5) der Segmente mit der Radscheibe bei einer gewählten Bichtung (SR) der Ülektronenstrablkanonen die Schweißtiefe nur einer geringen Änderung unterliegt.

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13. Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Schaufel-Scheiben-Verbindung für Gasturbinen nach den Ansprüchen 9, 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung entweder von einer Seite oder gleichzeitig von beiden Seiten der zu verschweißenden Berührungsfläche durchgeführt wird, wobei die Elektronenstrahlkanonen direkt gegenüber liegen oder um einen gewissen Winkel gegeneinander versetzt sind.

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