DE2505273A1 - Laeufer fuer gasturbinenstrahltriebwerke und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Laeufer fuer gasturbinenstrahltriebwerke und verfahren zu seiner herstellung

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DE2505273A1 DE19752505273 DE2505273A DE2505273A1 DE 2505273 A1 DE2505273 A1 DE 2505273A1 DE 19752505273 DE19752505273 DE 19752505273 DE 2505273 A DE2505273 A DE 2505273A DE 2505273 A1 DE2505273 A1 DE 2505273A1
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Description

ROLLS-ROYCE (1971) LIMITED - LONDON / (ENGLAND)
Läufer für Gasturbinenstrahltriebwerke und Verfahren zu
seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenscheiben und Schaufeln für ein Gasturbinenstrahltriebwerk, wobei die Scheiben und Schaufeln aus Keramikmaterial, z.B. aus Siliciumnitrit hergestellt sind.
Turbinensoheiben und Turbinenschaufeln können leicht aus der reaktions-gesinterten Form von Siliciumnitrit hergestellt werden, in dem die Teile - ausgehend von einem massiven Block - spanabhebend bearbeitet werden, da diese Form von Siliciumnilrit relativ leicht zu bearbeiten ist. Da diese Form von Siliciumnitrit jedoch eine Dichte hat, die wesentlich unter der theoretisch möglichen Dichte liegt, ist solches Keramikmaterial relativ schwach und nicht geeignet zur Benutzung in Verbindung mit Turbinenscheiben, wo Beanspruchungen in der Größenordnung von 35#16 kg/mm (50,000 lbs/sq.in.)
Um dieses Problem zu lösen, kann Siliciumnitrit in heißgepresster Form benutzt werden, welches fast auf den theoretisch maximalen Dichtewert verdichtet werden kann und daher beträchtlich fester ist.
Hierbei ist es jedoch nicht zweckmäßig, Turbinenscheiben oder Turbinensohaufein ausgehend von einem Block aus Siliciumnitrit
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zu bearbeiten, weil die heißgepresste Form des Materials schwierig und demgemäß nur unter hohen Kosten bearbeitet werden kann.
Die Turbinenscheibe oder die Schaufeln können in einem Formgesenk heißgepresst werden, jedoch ändert sich wegen der unterschiedlichen Dicke der einzelnen Teile der Schaufel die Dichte und demgemäß auch die Festigkeit mit der Dickenabmessung über diesen Teil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenscheibe und einen beschaufelten Turbinenläufer sowie ein Verfahren zu schaffen, wodurch diese Schwierigkeiten beseitigt werden.
Gemäß der Erfindung weist der Rotor für ein Gasturbinenstrahltriebwerk eine äußere Schale aus heißgepressten Siliciumnitrit auf und besitzt wenigstens einen wärmebeständigen Einsatz, der den Raum innerhalb der Schale im wesentlichen ausfüllt, wobei die Schale aus zwei Schalenteilen hergestellt ist, deren Dicke in Richtung parallel zur Achse des Läufers im wesentlichen konstant ist.
Der Einsatz kann von Graphit oder einem keramischen Material, z.B. reaktionsgesinterten Siliciumnitrit bestehen, und das reaktionsgesinterte Siliciumnitrit kann durch Diffusionsbindung mit den heißgepressten Siliciumnitritschalen verbunden werden.
Es kann weiter ein Ring aus heißgepreßtem SiliciumnitcLt mit den Schalenabschnitten und der radial inneren Oberfläche des Einsatzes verbunden werden.
Gemäß der Gestalt des Rotors kann ein weiterer Einsatz vorgesehen werden, um den Raum zwischen den radial äußeren Abschnitten der Schalen auszufüllen. Dieser weitere Einsatz kann ebenso aus
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Graphit oder reaktions-gesinterten Siliciumnitrit hergestellt sein.
Wenn eine Schaufelreihe am Rotor zu befestigen ist, kann diese aus reaktions-gesinterten Siliciumnitrit bestehen und der weitere Einsatz kann einstückig mit der Schaufelreihe hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Schaufel« reihe aus heißgepresstem Siliciumnitrit hergestellt sein und der weitere Einsatz kann mit der Schaufelreihe in einem Formvorgang verbunden werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Schaufelreihe und der Rotor getrennt hergestellt werden, und die Verbindung kann durch Geleitguß von Siliciumpulver zwischen Schaufelreihe und Läufer und durch Nitrierung des Siliciums hergestellt werden, um eine reaktions-gesinterte Siliciumnitrit-Verbindung zwischen der Schaufel und dem Rotor herzustellen.
Damit der Läufer mit Welle oder einem benachbarten Läufer verbunden werden kann, sind Pestlegemittel, z.B. Klauen oder Kuppen der "CURVIC" Bauart einstückig mit der Schale hergestellt.
Die Erfindung sieht weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Läufers gemäß obiger Ausbildung vor und dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: Es wird ein Einsatz mit einer äußeren Oberfläche hergestellt, die der inneren Oberfläche der Schale entspricht; es wird der so geformte Einsatz in ein Graphitgesenk eingelegt, das zwei Formgesenke besitzt, deren Arbeitsoberflächen den äußeren Oberflächen der herzustellenden Schale entsprechen; es werden die Hohlräume zwischen den Gesenkteilen und dem Einsatzkörper mit einer vorbestimmten Menge aus Siliciumnitrit-Pulver ausgefüllt und es wird hierzu ein Verdichtungsmittel gefügt; schließlich wird unter Anwendung von Hitze und Druck das Silicium-
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nitrit-Pulver verdichtet.
Vorzugsweise wird das Verfahren zur Heißpressung des Siliciumnitrit-Pulvers in der Weise durchgeführt, wie dies in der GB-PS 970,639 beschrieben ist.
Wenn ein reaktions-gesinterter Einsatz benutzt wird, werden Einsatz und Schalenteile miteinander durch Diffusionsverschweißung während des Pressvorganges verbunden.
Wenn ein weiterer Einsatz erforderlich ist, wird dieser in der Form zusammen mit dem ersten Einsatz eingelegt.
Auch wenn der Ring aus heißgepresstem Siliciumnitrit erforderlich ist, wird dieser ebenfalls in der Form mit dem Einsatz bzw. den Einsätzen angeordnet, bevor der Pressvorgang durchgeführt wird.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung aihand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung 33igen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Läufers;
Fig. 2 den Einsatzkörper für den Läufer nach Figur 1; Fig. 3 den inneren Ring des Läufers nach Figur 1;
Fig. 4 eine Schaufel und einen integralen weiteren Einsatz;
Fig. 5 eine getrennte Schaufel und einen weiteren Einsatz;
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- 5 Pig. 6 einen vollständigen Läufer mit Schaufelreihej
Fig. 7 ein Formgesenk zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung des Läufers gemäß Figur 1.
Der in der Zeichnung dargestellte Läufer 10 für ein nichtdargestelltes Gasturbinenstrahltriebwerk besitzt eine Schale 12, bestehend aus zwei Schalenhälften 14 und 16, die aus heißgepresstem Siliciumnitrit gemäß dem Verfahren nach der GB-PS 970,639 hergestellt sind. Die Dicke "t" der Schalenabschnitte ist in der Ebene parallel zur Achse X-X konstant,um die der Läufer drehbar ist. Dadurch, daß die Abmessung "t" konstant gehalten wird, können die Schalenabschnitte mit einer gleichförmigen Dichte und demgemäß gleichförmiger Festigkeit hergestellt werden.
Innerhalb des Sohalenaufbaus befindet sich ein ringförmiger Einsatzkörper 18 und ein weiterer ringförmiger Einsatzkörper 20, welch letzterer bei entsprechender Ausbildung von Läufer und Schalendicke auch wegfallen kann. Das heißt, die Einsatzkörper 18 und 20 können auch einstückig hergestellt werden, wenn die Wanddicke vermindert ist. Die Einsatzkörper 18 und können spanabhebend aus Graphit hergestellt werden, jedoch werden sie vorzugsweise spanabhebend aus reaktions-gesinterten Siliciumnitrit hergestellt, da dieses Material durch Diffusionsverschweißung mit den Schalenteilen bei der Herstellung der Schale verbunden werden können, wie dies unter Bezugnahme auf Figur beschrieben 1st.
Ein Innenring 22 aus heißgepreßtem Siliciumnitrit wird zwischen den radial inneren Teilen der Schalen und dem Einsatzkörper festgelegt.
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Damit der Läufer 10 mit einem benachbarten Läufer oder einer Welle verbunden werden kann, sind Festlegemittel 24 z.B. Klauen oder Kupplungsteile der "CURVIC" Bauart einstückig mit den Schalenabschnitten hergestellt.
Figur 4 zeigt eine Schaufel, die einen Teil einer Schaufelreihe darstellt, die einstückig mit dem weiteren Einsatz 20 hergestellt ist. Die Schaufelreihe und der weitere Einsatz sind aus reaktions-gesintertem Siliciumnitrit hergestellt und die Schaufelreihe kann mit dem Läufer während der Herstellung der Schalenteile verbunden werden.
Figur 5 zeigt eine Schaufel, die getrennt von dem weiteren Einsatz 20 hergestellt ist und entweder aus reaktions-gesintertem Siliciumnitrit oder aus heißgepresstem Siliciumnitrit hergestellt ist. Der weitere Einsatz wird im Läufer während der Herstellung der Schalenteile festgelegt und die Schaufelreihe wird am Rotor dadurch festgelegt, daß durch Gleitguß Siliciumpulver zwischen die Schaufelreihe und den Rotor gebracht wird und das Silicium-Pulver nitriert wird.
Figur 6 zeigt einen vollständigen Läufer und eine Schafelreihe. Gemäß Figur 7 besteht die Form aus einem Graphitzylinder 30 und zwei ringförmigen Formgesenkteilen 32, 34, die auf einem zentralen Zapfen 36 gelagert sind, dessen Durchmesser der Bohrung des Läufers 10 entspricht. Zur Erhitzung der Form ist eine Heizeinrichtung z.B. in Gestalt einer Induktionsspule vorgesehen und es sind außerdem Mittel vorgesehen, um einen Druck auf die Gesenkteile ausüben zu können, diese Mittel beispielsweise in Gestalt einer Hydraulikpresse sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die Einsätze 18 und 20 werden zunächst in einem getrennten Verfahren aus reaktions-gesinterten Siliciumnitrit hergestellt und
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durch spanabhebende Bearbeitung so geformt, daß die Oberflächen der Einsatzkörper den inneren Oberflächen der Schalenteile I4,l6 entsprechen.
Die so hergestellten Einsatzkörper werden innerhalb des Graphitzylinders über den Gesenkteil 34 gefügt, wobei eine vorbestimmte Menge von Siliciumnitrit-Pulver mit Verdichtungsmittel zwischen die Einsätze und den Formteil 34 gefügt wird. Dann wird der Ring 22 über den zentralen Zapfen Jö gefügt und es wird eine weitere vrobestimmte Menge von Siliciumnitrit-Pulver und Verdichtungsmittel über die Einsätze 18, gefügt und der Formteil 32 wird in seine Arbeitsstellung gebracht. Dann wird die Form auf etwa 1,85O0C erhitzt und es wird ein Druck von 0,844 kg/mm2 (1200 lbs/sq.in.) auf die Formteile 32, 34 ausgeübt, bis sich das Siliciumnitrit-Pulver verdichtet hat und die Schalenabschnitte Ι4,1β gebildet sind. Während des Pressvorganges werden die Einsätze 18, 20 und der Ring 22 durch Diffusionsverschweißung mit den Schalenabschnitten 14,16 verbunden, \tfährend der Formvorgang stattfindet.
Als Verdichtungsmittel wird vorzugsweise Magnesiumoxid in einem Verhältnis von einem Teil Magnesiumoxid auf 20 Teile Siliciumnitrit-Pulver benutzt.
Wie erwähnt, kann die Schaufelreihe während der Herstellung der Schalenabschnitte am Läufer festgelegt werden und dies kann durch eine geeignete Gestalt der Form bewirkt werden.
Ebenso können die Festlegemittel einstückig mit den Schalenabschnitten hergestellt werden, in dem entsprechend betätigbare Formabschnitte benutzt werden, die unabhängig von den Formabschnitten 32 und 34 betätigbar sind.
Patentansprüche 509834/0259

Claims (1)

  1. - 8 PATENTANSPRÜCHE
    Läufer für ein Gasturbinenstrahltriebwerk, dadurch geke nnzeic hn et, daß er eine äußere Schale aufweist, die aus heißgepresstem Siliciumnitrit hergestellt ist und in dieser Schale wenigstens ein hitzebestandiger Einsatz angeordnet ist, der den Raum zwischen den Schalenteilen im wesentlichen ausfüllt und mit der Schale verbunden ist, wobei die Schale aus zwei Schalenhälften hergestellt ist, deren Dicke in Richtung parallel zur Läuferachse im wesentlichen konstant ist.
    2. Läufer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenteile an einer Stelle aneinander stoßen und daß zwei hitzebestandige Einsätze vorgesehen sind, um die Räume zwischen den Schalenabschnitten auszufüllen, wobei die Einsätze und die Schalen miteinander verbunden sind.
    5. Läufer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß er einen Ring aus heißgepresstem Siliciumnitrit aufweist, der an den radial inneren Flächen der Schalenhälfte und des Einsatzkörpers angeordnet ist.
    4. Läufer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichn et, daß eine Reihe von Schaufeln aus Siliciumnitrit am Umfang des Läufers angeordnet sind.
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    Läufer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz aus reaktions-gesintertem Siliciumnitrit hergestellt ist, und daß die Schalenteile durch Diffusionsverschweißung am Einsatz befestigt sind.
    Verfahren zur Herstellung eines Läufers gemäß den Ansprüchen 1 bis 5>
    dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige Einsatz so geformt wird, daß er äußere Oberflächen aufweist, die den inneren Oberflächen der Schalenteile entsprechen, daß der so hergestellte Einsatz in ein Formgesenk eingelegt wird, welches zwei Formabschnitte aufweist, deren Arbeitsoberflächen den äußeren Oberflächen der herzustellenden Schalenteile entsprechen, daß der Raum zwischen den Formteilen und dem Einsatzkörper mit einer vorbestimmten Menge aus Siliciumnitrit-.Pulver und einem Verdichtungsmittel ausgefüllt wird, und daß unter Anwendung von Hitze und Druck das Siliciumnitrit-Material verdichtet wird und die Schalen um den Einsatzkörper herum bildet.
    Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper aus reaktions-gesintertem Siliciumnitrit hergestellt wird, das durch Diffusionsverschweißung mit den heißgepresstem Siliciumnitrit- Sehalenhälften verschweißt wird, wenn diese Schalen hergestellt werden.
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    8. Verfahren nach Anspruch 7# dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaufelreihe aus Siliciumnitrit am Umfang des Läufers durch Gleitguß (slip casting) von Silicium-Pulver zwischen Schaufelreihe und Läufer befestigt wird, und daß das Silicium-Pulver nitriert wird, um eine reaktionsgesinterte Siliciumnitrit-Bindung zwischen der Schaufelreihe und dem Läufer zu erhalten.
    9. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelreihe aus heißgepresstem Siliciumnitrit hergestellt wird, und daß der Einsatzkörper mit der Schaufelreihe während des Formvorganges verbunden wird.
    10. Verfahren nach Anspruch J3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelreihe mit dem reaktions-gesintertem Siliciumnitrit-Einsatz integral ausgebildet ist.
    509834/0259
    L e e r s e i t e
DE19752505273 1974-02-09 1975-02-07 Laufrad fuer eine gasturbine und verfahren zu seiner herstellung Granted DE2505273B2 (de)

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