DE2309824A1

DE2309824A1 - Verfahren zur herstellung einer hohlschaufel

Info

Publication number: DE2309824A1
Application number: DE19732309824
Authority: DE
Inventors: Iii Peter John Linko; William Dean Treece
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-03-02
Filing date: 1973-02-28
Publication date: 1973-09-06
Also published as: JPS48101337A; IT981016B; US3825984A; FR2174639A5; BE795073A; CA994090A

Description

Verfahren zur Herstellung einer Hohlschaufel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlschaufel für Strömungsmaschinen.

Wegen der relativ hohen Betriebstemperaturverhältnisse im Turbinenabschnitt von modernen Gasturbinentriebwerken wurde seit einer Reihe von Jahren in der Praxis der mit Tragflügelprofil gestaltete Teil der stationären Leitschaufel der Turbine und seit kurzem der Profilteil der rotierenden Laufschaufeln der Turbine mit inneren Kühlkanälen ausgestattet. In der modernsten Ausführungsform enthalten solche Bauteile Kanäle, welche durch

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die Austrittskante austreten. Insbesondere bestand bei stationären Schaufeln oder Leitschaufeln ein Herstellungsverfahren in dem Biegen eines Legierungsbleches zu einer Formgestaltung mit Tragflügelprofil mit einem hohlen Inneren. Das Blech wird dabei allgemein an der Austrittskante verbunden, um die tragflügeiförmig gestaltete Hülle zu vervollständigen. Danach wer-.den die öffnungen in der Austrittskante zur Abgabe oder zum Ausstoß des Kühlmediums hergestellt durch verschiedenste Verfahren zum Abtragen von Metall; einige Beispiele hierzu sind eine elektrische Entladung und elektrochemisches Bohren. Jedoch erhöht die Verwendung solcher Verfahren zur Entfernung von Netall in bedeutungsvoller Weise die Kosten des herzustellenden Bauteils.

In dieser Beschreibung soll der Ausdruck "Schaufel" Leitschaufeln zur Richtung von Strömungsmitteln, Laufschaufeln, Düsen usw. für die Verwendung in Strömungsmittelmaschinen umfassen, welche eine Tragflügelprofilform besitzen.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer hohlen Laufschaufel mit einem offenen Austrittskantenteil und mit einzelnen Stiften zu schaffen, welche zwischen den im Abstand befindlichen Wänden des Profilteils der Schaufel, insbesondere in dem Austrittskantenteil eingefügt sind.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein solches Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel anzugeben, bei dem die Stifte mit den Wänden des Profilteils durch Hartlöten oder Löten verbunden sind (brazing).

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein solches Verfahren zu finden, bei dem die Hartlotlegierung daran gehindert wird, den im Abstand befindlichen inneren Teil des Profils zwischen den Wänden und den Stiften auszufüllen.

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Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Aufgaben und Vorteile ergibt sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der Abbildung, welche als Veranschaulichung anhand einer Ausführungsform und nicht im Sinne einer Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu verstehen sind.

In einer Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einer hohlen Schaufel Verfahrensschritte, bei denen der Profilteil der Schaufel mit einem Paar von im Abstand angebrachten metallischen Wänden ausgestattet wird, welche den Austrittskantenteil des Profilteils definieren. Jede Wand besitzt eine innere Oberfläche und eine äußere zur Ausrichtung des Strömungsmittels vorgesehene Oberfläche. In jeder der Wände wird eine Vielzahl von öffnungen angebracht, wobei die öffnungen von Wand zu Wand Jeweils in aufeinander ausgerichteten Paaren angeordnet werden. Durch Jedes Paar der untereinander ausgerichteten öffnungen wird ein Stift angebracht, wobei die Wände in der beabstandeten Lage zueinander gehalten werden. Danach werden die Stifte mit den Wänden durch eine metallische Verbindung verbunden; ein Beispiel hierfür ist Hartlöten.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das kapillare Fließen der geschmolzenen Hartlotlegierung in den engen Austrittskantenbereich zwischen den Wänden und zwischen den Stiften verhindert. Hierzu wird ein teilchenförmiges Füllermaterial eingebracht, welches als "Abdämmungs"-Material beim Hartlöten (¹Btopoff "-material) dient und bei der Hartlottemperatur inert ist. Dieses wird um die Stifte herum in dem beabstandeten Bereich zwischen den Wänden dispergiert. Ein Beispiel für ein solches Material ist Quarzsand oder feuerfeste Oxyde oder Gemische derselben. Nach dem Erhitzen der Hartlotlegierung, der Stifte und der Wände auf die Hartlottemperatur während eines Zeitraums, der ausreichend ist zur Verlötung der Stifte und der Wände, wird dieses teilchenförmige Füllermaterial entfernt.

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Piß. 1 zoi/jt einen Isometrischen Teil3chnitt des Profilteils einer Turbinenleitschaufel als Ausführungsform der Erfindung.

Pig. 2 ist eine Teilansicht des Austrittskantenteils der Schaufel . während des Herstellungsganges und zeigt einige Abstandsstücke und einige Stifte in ihrer Lage.

Fig. 3 ist eine Teilansicht des Austrittskantenteils nach der Aufbringung der Hartlotlegierung.

Pig. 4 ist eine Teilansicht im Schnitt des Austrittskantenteils während des Hartlotvorganges und zeigt ein in der richtigen Lage angebrachtes teilchenförmiges Dämmungsmaterial.

Fig. 5 ist ein Teilschnitt des Austrittskantenteils nach dem Hartlöten und der Entfernung des teilchenförmigen Materials .

Es folgt nachstehend eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsf orraen.

Die Herstellung von hohlen Profilabschnitten, welche für die Herstellung von Turbinenschaufeln brauchbar sind, schließt die Verwendung solcher Verfahren ein wie Präzisionsguß, Extruderverfahren und Formverfahren einschließlich des Biegens eines Metallblechee in eine Profilhülle. In vielen Fällen ist es erwünscht, Maßnahmen zum Austritt der Kühlluft aus der Austrittskante su treffen. Wenn die Wände des Profilteils an der Austrittskante miteinander verbunden wurden, war es bisher notwendig, Bohrungen oder Nuten in der Austrittskante vorzusehen, um das Austreten von Kühlmittel zu gestatten, wobei sich diese Nuten in den hohlen Inneriraum hinein erstrecken.

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Eine kürzlich bekannt gewordene Konstruktion enthielt Wände des Austrittskantenteils, welche nicht an der Austrittskante miteinander verbunden waren. Stattdessen wurden sie im Abstand voneinander gehalten, um eine Austrittskantennut zu erhalten, durch welche das Kühlmittel ausgestoßen wird.- Diese Formgestaltung wird gezeigt anhand des Profilteils nach Pis. I.

Figur 1 zeigt einen Austrittskantenteil einer Schaufel mit Tragflügelprofil. Dieser wird definiert durch ein Paar im Abstand voneinander angeordneter metallischer Wände 1*1, welche in dieser Abstandslage oben und unten an der Schaufel durch ein Paar von Austrittskantenabstandshaltern 16 gehalten werden. Auf diese Weise wird eine Austrittskantennut 18 definiert, aus der das Kühlmittel, beispielsweise Luft, ausgestoßen wird, welches zuvor in den hohlen Innenbereich zwischen den im Abstand voneinander angebrachten Wänden 14 des Profilteils eingeführt wurde.

Es wurde als vorteilhaft befunden, in dem Austrittskantenteil eine Vielzahl von Stiften 20 vorzusehen, die einmal als Förderung einer Turbulenz in dem Kühlmittel und andererseits als Wärmeleiter dienen. Dadurch wird eine bessere Kühlung der Wände 14 gefördert durch einen wirksameren Wärmeübergang auf das Kühlmittel, welches durch den hohlen Innenbereich der Schaufel strömt. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden die Kosten zur Herstellung einer solchen Schaufel beträchtlich verringert, beispielsweise in einem Falle auf etwa 12 % der vorher notwendigen Kosten.

Gemäß einer Form des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird eine Profilhülle dadurch erhalten, daß beispielsweise ein Metalllegierungsblech um einen Formkörper oder Dorn (mandrel) herumgebogen wird. Der Austrittskantenteil einer solchen Hülle ist in Figur 2 abgebildet. Zeitweilig, werden in die Profilhülle Abstandsstücke]i6 für die Auetrittskante nach de'r Darstellung in Figur 2

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eingesetzt, um die Breite der Nut l8 in der Austrittskante einzustellen. Dann werden durch beide Wände I¹I der Hülle eine Vielzahl von Öffnungen 22 hergestellt in einer solchen Weise, daß die Öffnungen von Wand zu Wand Jeweils paarweise untereinander ausgerichtet und zur Aufnahme von Stiften gestaltet sind. Dann werden die zeitweilig eingesetzten Abstandsstücke 16 für die Austrittskante entfernt und die mit Öffnungen versehene Hülle wird gereinigt zur Entfernung von Fremdkörpern auf der Oberfläche. Dann werden die Abstandsstücke 16 gemäß der Darstellung in Fig. 2 wieder eingesetzt und an ihrem Platz gehalten, beispielsweise durch Anheften mittels Widerstandsschweißung.

Nach dem Einstellen des Abstandes zwischen den Wänden werden die Stifte 20 durch die ausgerichteten Öffnungen 22 eingeführt. Bequemerweise läßt man die Stifte durch beide Wände gemäß Figur herausragen. Wie noch nachstehend beschrieben, kann zur Herstellung der Stifte Draht verwendet werden. Um die Stifte in der richtigen Lage in den Öffnungen für den anschließenden Verbindungsvorgang anzubringen, können die Stifte durch Widerstandsschweißen geheftet werden oder sie können durch eine Vorrichtung gehalten werden oder sie können mechanisch in einer Weise verkürzt werden, so daß eine geringe Formveränderung des Stiftes erfolgt. Auf diese Weise werden die Stifte an einer Bewegung gehindert. Jeder Stift ist vorzugsweise so geformt, daß er sich an die Form der Öffnung anpaßt, welche im allgemeinen zweckmäßigerweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Weiterhin sind die Stifte vorzugsweise so bemessen, daß ein Festsitz (Passung) Innerhalb einer solchen Öffnung vorhanden ist.

Nachdem die Stifte in den Öffnungen, welche in den Wänden des Austrittskantenteils der Profilhülle vorgesehen sind, in ihre richtige Lage gebracht wurden, wird das zusammengebaute vorgefertigte Teil einschließlich der Abstandsstücke 16 an der Austrittskante vorbereitet zur Verbindung der Stifte und der Ab-

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standsstücke mit den Wänden. Die Verwendung einer Hartlotlegierung für diesen Zweck ist dabei bevorzugt und besonders wirtschaftlich. -

Zweckmäßigerweise wird die Hartlotlegierung 24 (s. Figur 3 und ¹O als Pulveraufβchlänunung einschließlich eines Bindemittels des Typs aufgebracht, welches allgemein in der Hartlottechnik verwendet wird und sich bei der Hartlottemperatur zersetzt, wobei es im wesentlichen keinen Rückstand zurückläßt. Eine solche Aufschlämmung wird an den äußeren, das Strömungsmittel lenkenden Oberflächen 26 der Wände 12 um die Stifte 20 herum und auf den freiliegenden oberen Teil der Abstandsstück^ 16 nach Figur 3 aufgebracht.

Wegen des allgemein engen Abstandes zwischen den Wänden des 'Profilteils und zwischen den Stiften in dem Austrittskantenteil muß darauf geachtet werden, daß ein Fließen der Hartlotlegierung zwischen die Wände und zwischen die Stifte vermieden wird, um eine Ausfüllung eines solchen Bereiches durch Kapillarfluß der geschmolzenen Legierung zu vermelden. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Vorhandensein eines solchen engen Abstandes ein tellchenförmiges Füllermaterial um die Stifte in dem beabstandeten Teil zwischen den Wänden vor dem Hartlöten eingebracht und wirkt als inneres Dämmungsmaterial für ein unerwünschtes Fließen der Hartlotlegierung längs der inneren Oberflächen der Schaufel. Beispiele eines solchen inerten Materials sind Quarzeand oder ein pulverförmiges feuerfestes Oxyd, beispielsweise Aluminiumoxyd oder Gemische solcher teilchenförmigen Materlallen, welche bei der Hartlottemperatur inert oder beständig sind.

Vor dem Einbringen des teilchenförmigen Materials oder Gemisches 28 in den Abstandsbereich zwischen den Wänden wird aber der Nut oder dem Schlitz 18 eine Abdeckplatte oder ein Draht 30 gemäß

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Figur 3 und 4 eingebracht, welches geringfügig größer ist als die Nut in der Austrittskante. Dies kann beispielsweise durch Anheften durch Widerstandsschweißung geschehen und dient dazu, das teilchenförmige Gemisch an seinem Platz im Innern der Wände zu halten. Dann wird das Gemisch zwischen die Wände eingeführt und beispielsweise durch Vibration um die Stifte herum dispergiert, um den Bereich zwischen den Wänden und um die Stifte herum gemäß Figur 4 im wesentlichen auszufüllen.

Nachdem die Stifte, die Hartlotlegierung und das teilchenförmige Füllermaterial 28 gemäß Figur ¹I an ihrem Platz angeordnet sind, wird das auf diese Weise zusammengestellte vorgefertigte Profilteil bei der Hartlottemperatur erhitzt, vorzugsweise in einer Vak umkammer und während einer Zeitdauer, die ausreichend ist zur hartgelöteten.. Verbindung der Stifte und Abstandsstücke mit den Wänden. Während dieses Hartlotvorganges bewirkt ein kapillares Fließen der Hartlotlegierung, daß dieses in den Zwischenraum zwischen den Stiften und den Wänden und den Zwischenraum zwischen den Abstandsstücken und den V/änden eindringt und Plättchen oder Lötstellen 32 gemäß Figur 5 an der Verbindungsstelle der Wand mit den Abstandsstücken und den Stiften bildet. Die Größe dieser Plättchen oder Lötstellen und die Menge der Hartlotlegierung, welche in den Hohlraum im Innern der Wände einfließt, kann beherrscht werden durch die Größe und Form des teilchenförmigen !"üllermaterials 28, das in dem Hohlraum angeordnet wird. Ebenso ist das Fließen der Hartlotlegierung nach innen von den äußeren Wänden aus eine Funktion des Abstandes zwischen den Stiften und den Öffnungen in der Wand, welche von den Stiften durchsetzt sind.

Nach dem HartlotVorgang wird das Profilteil aus dem Ofen herausgenommen und abgekühlt. Teilchenförmiges Material 28, welches

noch frei beweglich ist, wird mechanisch gelöst. Das Füllermaterial, welches durch die HartlotIegierung benetzt und verbunden

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worden ist und daher fester an den inneren Teilen des Profils anhaftet, kann dann durch chemische Mittel entfernt werden, beispielsweise durch Eintauchen in Fluorwasserstoffsäure. Nach einem Abspülvorgang kann dann die Schaufel poliert werden, um auf diese V/eise etwa vorhandene überschüssige Hartlotlegierung ^ und diejenigen Teile der Stifte und Abstandsstücke zu entfernen, welche über die äußere Oberfläche und das Ende des Profilteils gemäß Figur 5 herausragen. Anschließend kann eine ggf. erforderliche letzte maschinelle Bearbeitung durchgeführt werden, durch die beispielsweise das Blech oder der Draht 30 entfernt werden können.

In einem bestimmten Beispiel wurde ein Blech aus einer Legierung auf Nickelbasis, welche im wesentlichen aus 78 Gew.-? Ni, 20 Gew.-Ji Cr und 2 Gew.-JC dispergiertem ThOp bestand und manchmal als TD Ni Cr-Legierung bezeichnet wird, als Vorbereitung zur Herstellung einer Turbinenschaufel zu einer Hülle mit Tragflügelprofil geformt. Dann wurden gemäß Figur 2 die Abstandsstücke 16 für die Austrittskante zeitweilig in die Schaufelhülle eingesetzt, um die erwünschte Nut an der Austrittskante einzustellen, beispielsweise mit einer Breite von etwa 0,5 mm (0,02"). Dann wurden eine Vielzahl von öffnungen 22, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 0,75 mm (0,03"), in einem Muster mit gleichmäßigem Abstand durch Bohren mit elektrischer Entladung durch die Wände des Austrittskantenteils der Schaufel nach Fig. 2 angebracht, wobei die Hülle in einer Einspannvorrichtung gehalten wurde.

Die Abstandsstücke 16 an der Austrittskante wurden entfernt und die mit öffnungen versehene Hülle wurde gründlich gereinigt zur Entfernung von öl, Fett, Bearbeitungsresten usw. Die Abstandsstücke 16 .für die Austrittskante wurden in gleicher Welse wie zuvor eingesetzt und wurden durch Widerstandsschweißen in. ihrer Endlage für den Hartlotvorgang geheftet.

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Zur Ausbildung der Stifte 20 wurde ein Draht mit einem Nenndurchmesser von etwa 0,75 mm (0,03") verwendet, wobei sich ein .Preßsitz mit den öffnungen 22 in den Wänden ergab. Der Draht wurde durch die untereinander ausgerichteten öffnungen in den Wänden eingeführt und abgekappt, um Stifte zu bilden, wie sie in Figur 2 gezeigt sind. Weiterhin wurde ein anderer Draht 30, der geringfügig breiter war als die Nut in der Austrittskante, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 0,75 mm (0,03") gemäß den Figuren 3 und 4 längs der Austrittskantennut 18 angeschweißt.

Eine Hartlotlegierung auf Nickelbasis mit einem Nenngehalt von 16 Gew.-Jf Cr, Ί Gew.-% Si, 17 Gew.-% Mo, 5 Gew.-£ W und Rest Nickel und Spuren von Verunreinigungen wurde mit einer bekannten Acrylbinderlösung zu einer Aufschlämmung gemischt. Die Aufschlämmung wurde dann an der äußeren Wandoberfläche 26 um die Stifte 20 herum und auf der freiliegenden Oberfläche der Abstandsstücke 16 am oberen und unteren Teil der Schaufel gemäß Figur 3 aufgebracht. Die auf diese Weise zusammengefügte Vorform der Schaufel wurde in ihrem Austrittskantenteil mit einem teilchenförmigen Gemisch 28 gefüllt, das feinen weißen Quarzsand und Aluminiumoxydteilchen in einem Verhältnis von etwa 80 % Quarzsand und 20 % Aluminiumoxyd enthielt. Die Teilchengröße lag im Bereich von etwa 0,075 - 0,3 mm (0,003 - 0,012") und wurde dabei auf die kleinste Teilchengröße eingestellt, welche nicht in den größten Zwischenraum zwischen den zu verbindenden Teilen eindrang. Ein Teil der Anordnung wird im Schnitt in Fig. ¹I wiedergegeben. Die Anordnung wurde einer Vibration zur Verdichtung des teilchenförmigen Gemisches und zu einer vollständigeren Ausfüllung des inneren Hohlraums zwischen den Wänden 14 der Schaufel unterzogen.

Dann wurde die Schaufel in einem Vaküumlötofen in eine Stellung gemäß Figur 4 hängend angeordnet und dort etwa ¹I Minuten lang ! auf etwa 1290⁰C (etwa 235O⁰F) erhitzt. Dann wurde die Schaufel

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aus dem Ofen herausgenommen. Der Anteil des teilchenförmigen Gemisches, welcher noch im Innern der Schaufel frei beweglich war, wurde mechanisch abgelöst und entfernt. Der restliche Teil wurde dadurch herausgelöst, daß er etwa 12 Stunden lang bei Zimmertemperatur in Fluorwasserstoffsäure eingetaucht wurde.

Nach gründlichem Abspülen wurden die äußeren Oberflächen der Wand Jeder Schaufel im Bereich des Austrittskantenteils und der Stifte poliert, um auf diese Weise überschüssiges Hartlot und etwa vorhandene, aus der Oberfläche herausragende Teile der Stifte zu entfernen. Anschließend wurde durch maschinelle Behandlung der Draht 30 von der Nut in der Austrittskante entfernt, um eine Öffnung von der Austrittskante in das hohle Innere der Schaufel zu schaffen.

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Claims

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Ansprüche

Verfahren zur Herstellung einer hohlen Schaufel für Strömungsmaschinen, wobei die Schaufel einen profilartig gestalteten Teil besitzt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

as Profilteil (12) der Schaufel (10) wird mit einem Paar von im Abstand angeordneten metallischen Wänden (1*0 versehen, welche den mit einem hohlen Innenraum ausgestatteten Austrittskantenteil des Profilteils definieren, wobei jede dieser Wände eine innere und äußere Oberfläche besitzt; in jeder Wand (I¹O wird eine Vielzahl von Öffnungen (22) so angebracht, daß Paare von Öffnungen von Wand zu Wand untereinander ausgerichtet sind;

durch jedes Paar untereinander ausgerichteter Öffnungen wird ein Stift (20) eingeführt, wobei die Wände in einer Abstandslage zueinander gehalten werden, und dann werden die Stifte mit den Wänden durch eine metallische Verbindung verbunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stifte Drähte^iingeführt werden, daß ein Teil derselben während der Durchführung des Verbindens von der äußeren Wandoberfläche herausragt, und nach dem Verbinden werden die vorstehenden Teile der Drähte an der äußeren Wandoberfläche entfernt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußeren Oberflächen der Wände um die Stifte herum nach dem Einsetzen eines Stiftes jeweils durch ein Paar untereinander ausgerichteter Öffnungen eine Hartlotlegierung aufgebracht wird, xvelche eine Hartlottemperatur besitzt, die kleiner ist als diejenige, welche die Festigkeitseigenschaften der Wände nachteilig beeinflußt, und dann die Stifte mit den Wänden durch Hartlöten verbunden werden.

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ij. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem hohlen Zwischenraum zwischen den im Abstand befindlichen Wänden um die Stifte herum vor dem Hartlöten ein teilchenformiges Füllermaterial (28) dispergiert wird, welches bei der Hartlottemperatur praktisch inert ist und das teilchenförmige Füllermaterial nach dem Hartlöten entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch ¹J, dadurch gekenn-· zeichnet, daß ein teilchenformiges Füllermaterial (28) eingebracht wird, dessen Teilchengröße größer ist als die Zwischenräume zwischen den Stiften (20) und den Öffnungen (22) in den Wänden

Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes mit einem hohlen Innenraum einschließlich des Hartlötens einer Vielzahl von Teilen über eine Abstandsstrecke, wobei dieser Abstandsraum mit dem hohlen Innenraum in Verbindung steht, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

im Innern des hohlen Innenraums wird ein teilchenformiges Füllermaterial (28) dispergiert, dessen Teilchen allgemein eine größere Abmessung besitzen als der Zwischenraum und während des Hartlötens inert sind bezüglich einer Verbindung mit den Teilen, die Teile werden hartgelötet, das teilchenförmige Füllermaterial wird entfernt.

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