DE2108176A1 - Befestigung von keramischen Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

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Hünchen, den 16. Februar 1971

Befestigung von keramischen Turbinenschaufeln

Die Erfindung betrifft eine Befestigung von keramischen Turbinenschaufeln in einer in den Stahlläufer oder Schaufeltragring eingearbeiteten Umfangsnut mit Nutflanken durch zwischen Schaufeln und Läufer angeordneten Beilagen aus einem warmfesten,"metallischen Werkstoff.

Durch die Deutsche Patentschrift 94-3 836 ist ein Turbinenläufer aus Stahl mit keramischer Beschaufelung und metallischen Zwischenschichten zwischen den Schaufeln und dem Stahlläufer bekannt, bei dem die Zwischenschicht aus zwischen den Anlageflächen am Schaufelfuß und den Stützflächen der entsprechend ausgebildeten Fassung des Läufers lose angeordneten Beilagen aus 4zunderfestem und hitzebeständigen metallischen Werkstoff besteht. Da die Schaufel im Betrieb durch hohe Fliehkräfte nach außen gezogen wird, sollen die Beilagen die Reibungsverhältnisse in den Anlageflächen verbessern. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Beherrschung der Reibungsverhältnisse insbesondere bei hohen Temperaturen sehr schwierig und unzureichend

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zu beherrschen sind. Darüber iiinaus verfestigt sich naturgemäß die lose angeordnete metallische Beilage bei der Verformung, so daß hierin und im Stahlläufer durch örtliche jrressung Spannungsspitzen aufgebaut v/erden, die zu Materialschäden führen können.

Bei Turbinenschaufeln, besonders bei Turbinenlaufschaufeln aus Keramik besteht die entscheidende Aufgabe darin, in Stahlläufern eine Halterung herzustellen, die trotz der herstellungsbedingten Maßtoleranzen eine gleichmäßige Einleitung der Haltekraft ermöglicht, wobei die weitgehend unübersichtlichen Reibungsverhältnisse in den Anlageflächen unberücksichtigt bleiben können. Eine Aufgabe der Erfindung besteht ferner darin, jede örtlich konzentrierte Belastung mit entsprechenden Spannungsspitzen zu vermeiden und gleichzeitig die iemperaturwechselbeständigkeit günstig zu beeinflussen. Ferner soll eine Befestigungskonstruktion für keramische Turbinenschaufeln geschaffen werden, die neben kostengünstiger Herstellung und Wartung eine hohe Lebensdauer verspricht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Nutflanken des Stahlläufers und den entsprechend ausgebildeten Flanken des Schaufelfußes jeweils eine auf der Nutflanke befestigte Beilage aus v/armfest em, gesintertem und über seine Plastizitätsgrenze verformtem hochelastischem Ketallfilz angeordnet ist.

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Dieses an sich bekannte Vormaterial, das bisher insbesondere in der Filtertechnik und bei Dichtungen Anwendung fand, besteht aus einem gleichmäßigen Metallfilz, der sich z.B. aus Fasern von et\\a 6 bis 15^ Durchmesser zusammensetzt und der bei einer hohen Temperatur unter Druck und reduzierter Atmosphäre gesintert wird, um einen metallischen Verbund zwischen den sich berührenden Faserteilchen zu erreichen. Die Dichte bzw. der Porenraum des Vormaterials, das anfänglich, d.h. bis zur Proportionalxtätsgrenze plastisches Verhalten zeigt, lassen sich primär durch den bei der Sinterung aufgebrachten Druck einstellen. Eer Porenraum sov/ie die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäi:en Eetallfilz-Beilage werden schließlich durch die nach der Sinterung vorgenommene Verformung optimal angepasst. Dies geschieht z.B. entweder durch eine Verformung in einer entsprechenden "Presse oder durch eine bei einem Probelauf zufolge der Fliehkräfte hervorgerufene Verformung.

Beispielsweise soll sich der Ketallfilz aus folgenden Legierungsbestandteilen zusammensetzen: 1,5 ?- Co, 22 > Gr, 9 v- Ko, o,6 ;j W^, 18 *o Fe, o,1o ;,; C, 1,o ?«, Si, 1,o % Fin, Rest Ui. Gleichermaßen ist es auch möglich, den Werkstoff auf Co-Basis oder auf anderen Legierungselementen aufzubauen.

Die erfindungsgemäfie Ketallfilz-Beilage zeichnet sich nach der über plastischem Bereich vorgenommenen Vorverformung

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durch eine hohe Elastizität aus, d.h. daß das gesinterte Vormaterial dabei nach Überschreiten einer Plastizitätsgrenze (Größenordnung in 1o 4 1o kp/cm ) zu einem sehr elastischen Körper zusammendrückbar ist, dessen Quetschgrenze bei sehr hohen Werten (Größenordnung 1ο·⁵ kp/cm ) liegt. Ein besonderer Vorteil der Beilage aus Metallfilz besteht darin, daß trotz der unzähligen Porenräume eine gleichmäßige Struktur mit konstanten mechanischen und thermischen Eigenschaften geschaffen wird, wodurch eine gleichmäßige Haltekrafteinleitung ohne Bildung von Spannungsspitzen gewährleistet ist. Darüber hinaus ergibt sich dadurch die Eigenschaft einer guten Schwingungsdämpfung der Schaufel.

Da ferner die erfindungsgemäße Beilage bei Rotation der Schaufeln in einem weiten Bereich elastisch verformbar ist, sich also nicht verfestigt, spielt die Beherrschung der in den Anlageflächen auftretenden Reibungsverhältnisse eine untergeordnete Rolle. Die hohen, gegen die Beilagen gerichteten Normalkräfte verformen nämlich die Beilagen derart elastisch, daß die Radialbewegungen der Schaufel proportional zur Verformung der Beilagen verläuft. Die Bewegung der Schaufel hängt daher nicht in erster Linie von der Reibung ab, sondern ist vielmehr exakt durch die Elastizität der Beilage bestimmt.

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Ferner zeichnet sich ein derartiger Metallfilz neben hoher Wärmebeständigkeit durch niedrige Wärmeleitfähigkeit aus. Dies ist besonders vorteilhaft, da nur ein geringer Anteil der Wärme vom Schaufelfuß, dessen Temperaturniveau unter Umständen durch besonders geführte Kühlluft auf niedrige Werte gesenkt ist, auf den Turbinenläufer übertragen wird. Die Anforderungen an den Läuferwerkstoff sind in Bezug auf die Wärmefestigkeit nicht so hoch, so daß der Einsatz billigerer Werkstoffe möglich ist. Infolge der wärmeisolierenden Wirkung der Metallfilzschicht ist auch eine Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit der Schaufel möglich, da die Wärme in der hochtemperaturbeständigen keramischen Schaufel gespeichert wird, und nicht so schnell in den großvolumigen Läuferkörper abfließen kann.

Ein Ausführungsbeispiel,der Erfindung wird anhand der Zeichnung dargestellt, die das Profil der Schaufelbefestigung zeigt. Eine aus Siliziumnitrid (Si^N^) bestehende Turbinenschaufel 1 greift mit ihrem schwalbenschwanzförmig ausgebildeten Schaufelfuß 2 in eine in den Stahlläufer 3 eingearbeitete Umfangsnut ein. Entsprechend, nämlich parallel zu den Flanken 2a des ' Schaufelfußes, verlaufen auch die Nutflanken 5 der Umfangsnut 4-, zwischen denen eine an diesen Nutflanken beispielsweise durch Löten befestigte Beilage 6 aus warmfestem, gesintertem und vorverformtem Hetallfilz liegt. Um die Schaufel im Ruhezustand so abzustützten, daß die Flanken 2a. an den Beilagen

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anliegen, ist am Fuß der Umfangsnut 4- ein Streifen 7 aus
Metallfilz eingelegt, der ebenfalls die oben genannten

Eigenschaften aufweist.

Die Erfindung ist nicht nur auf diese Ausführungsform beschränkt, es ist z.B. auch möglich, den Schaufeltragring axial oder radial zu teilen, wobei die beiden den Metallfilz tragenden Flankenteile nach Einlegen der Schaufeln verschraubt werden müssen. Die Läuferkonstruktion ist jedoch im Rahmen der Erfindung ein unwesentlicher Bestandteil.

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Claims (1)

1. München, den 16. Februar 1971

   Pat ent anspruch

   Befestigung von keramischen Turbinenschaufeln in einer in den Stahlläufer oder Schaufeltragring eingearbeiteten Umfangsnut mit Nutflanken durch Beilagen aus einem warmfesten, metallischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Nutflanken (5) des Stahlläufers und den entsprechend ausgebildeten Flanken (2a) des Schaufelfußes (2) je eine auf der Nutflanke befestigte Beilage (6) aus gesintertem und über seine tlastizitätsgrenze vorverformtem, hochelastischem Metallfilz angeordnet ist.

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   Lee rs e i te