DE2505273B2 - Laufrad fuer eine gasturbine und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Laufrad fuer eine gasturbine und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für eine Gasturbine mit einem Laufradkörper, der zwei heißge
preßte Siliciurnnitridflanken aufweist, deren Dicke in Richtung parallel zur Laufradachse im wesentlichen
ίο konstant ist, und die mit ihrem radial äußeren Rand die
Beschaufelung tragen.
Ein solcher Läufer ist in der älteren Patentanmeldung (DT-OS 23 53 551) beschrieben. Dabei besteht der
Laufradkörper aus zwei flachen, an ihrer inneren Stirnfläche verbundenen Siliciumnitridscheiben, die,
weil sie über ihre radiale Erstreckung eine gleiche Dicke aufweisen, im Heißpreßverfahren herstellbar sind. Sie
sind hinsichtlich der Zugfestigkeit jenen Turbinenschei ben überlegen, die aus ι eaktions-gesintertem Siliciumni-
trid hergestellt sind, welches eine geringere Dichte aufweist. Im Gegensatz zu heißgepreßtem Siliciumnitrid,
das fast auf dem theoretischen maximalen Dichtewert verdichtet werden kann, läßt sich das
reaktions-gesinterie Siliciumnitrid, jedoch spanabhe-
bend in eine beliebige Form bringen, die bei einem Laufrad in idealer Weise dem Beanspruchungsverlaut
angepaßt sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad für eine Gasturbine zu schaffen, das unter
Verwendung von heißgepreßtem, und daher eine hohe Dichte aufweisendem Siliciumnitrid in jeder tür das
jeweilige Laufrad optimalen Querschniilsgestali herstellbar
ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Laufrad der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst. daß die beiden Siliciuninitridflanken als symmetrische Halbschalen ausgebildet sind, die hitzebeständige Einsatzkörper umschließen und mit diesen verbunden sind.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Laufrad der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst. daß die beiden Siliciuninitridflanken als symmetrische Halbschalen ausgebildet sind, die hitzebeständige Einsatzkörper umschließen und mit diesen verbunden sind.
Die Halbschalen haben an allen Stellen im wesentlichen die gleiche Dicke und können so durch
Heißpressen in der erforderlichen Kontur mit hoher Dichte hergestellt werden. Der Einsatzkörper, der
gemäß den mechanischen Erfordernissen des Laufrades eine sich über die radiale Erstreckung ändernde
Querschnitlsl'läche besitzt, kann dabei aus einem Material hergestellt werden, welches eine günstige, z. B.
spanabhebende Bearbeitung ermöglicht. So kann für den Einsatzkörper beispielsweise reakiions-gesintertcs
Siliciumnitrid verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch eine kompliziert gestaltete Laufradform unter
Verwendung von heißgepreßtem Siliciumnitrid hoher Dichte hergestellt werden kann, wenn dafür gesorgt ist,
daß zwischen den entsprechenden Halbschalen ein Einsatzkörper aus verwandtem Material eingefügt wird,
der sich leicht bearbeiten läßt und auf einfache Weise mit dnn Halbschalen verbindbar ist, derart daß die
erforderliche Festigkeit in allen Beanspruchungsriehtungen gewährleistet ist. Dabei wird jener Teil des
Laufrades, der den höchsten Zug- bzw. Biegebeanspruchungen unterworfen ist, von dem Material von der
höchsten Festigkeit gebildet, so daß hier auftretende Beanspruchungen in der Größenordnung von
35,16 kg/mm2 ohne weiteres aufgenommen werden können.
Anstelle eines Einsatzkörpers aus reaktions-gesintertem
Siliciumnitrid kann auch ein Einsatzkörper aus
derem Material beispielsweise aus Graphit vorgesek werden. Die Verbindung zwischen den Halbschalen
d dem Einsatzkörper erfolgt vorzugsweise durch eine niffusionsbindung.
Gemäß der Gestalt des Laufrades tann ein weiterer
Einsatz vorgesehen werden, um den Raum zwischen den dial äußeren Abschnitten der Halbschalen auszufüllen.
Oieser weitere Einsatz kann ebenso aus Graphit oder ^aktionsgesintertem Siliciumnitrid hergestellt sein.
Wenn eine Schaufelreihe am Laufrad zu befestigen . kann diese aus reaktionsgesintertem Siliciumnitrid
bestehen und der weitere Einsatzkörper kann einstückig mit der Schaufelreihe hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Schaufelreihe aus heißgepreßtem Siliciumni-
rid hergestellt sein und der weitere Einsatzkörper kann mit der Schaufelreihe in einem Formvorgang verbunden
werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
kann die Schaufelreihe und das Laufrad getrennt hergestellt werden, und die Verbindung kann durch
Gleitguß von Siliciumpulver zwischen Schaufelreihe und Laufrad und durch Nitrierung des Siliciums
hergestellt werden, um eine reaktionsgesinterte Siliciumnitrid-Verbindung
/wischen der Schaufel und dem Laufrad herzustellen.
Die Erfindung sieht weiter ein Verfahren /ur Herstellung eines Laufrades gemäß obiger Ausbildung
vor und dieses Verfahren umfaßt folgende Schritte: Es
wird ein Einsalzkörper mit einer äußeren Oberfläche hergestellt, die der inneren Oberfläche der Halbschale
entspricht;'es wird der so geformte Einsatzkörper in ein Formgesenk eingelegt, das zwei Formabschnitte besitzt,
deren Arbeitsoberflächen den äußeren Oberflächen der herzustellenden Halbschalen entsprechen; es werden
die Hohlräume zwischen den Formteilen und dem Einsatzkörper mit einer vorbestimmten Menge aus
Siliciuninitrid-Kilver ausgefüllt und es wird hierzu ein
Verdichtungsmittel gefügt; schließlich wird unter Anwendung von Hitze und Druck das Siliciumnitrid-Pulver
verdichtet.
Wenn ein reaktions-gesinterter Einsatzkörper benutzt wird, werden Einsatzkörper und Halbschalen
miteinander durch Diffusionsverschweißung während des Preßvorganges verbunden.
Wen ein weiterer Einsatzkörper erforderlich ist, wird
dieser in der Form zusammen mit dem ersten Einsatzkörper eingelegt.
Auch wenn ein Ring aus heißgepreßtem Siliciumnitrid erforderlich ist, wird dieser ebenfalls in der Form mit
den Einsalzkörpern angeordnet, bevor der Preßvorgang durchgeführt wird.
Nachstehend wird ein Ausluhrungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Ausführungsform eines crfindungsgemall
ausgebildeten Laufrades,
F i g. 2 den Einsatzkörper für das Laufrad nach l· 1 g. 1,
p·, g 3 den inneren Ring des Laufrades nach Fig. 1,
Fig.4 eine Schaufel und einen integralen weitere-
Einsatzkörper, .
Fig. 5 eine getrennte Schaufel und einen weiteren
Einsatzkörper, ,01 r 1 u
F i g 6 ein vollständiges Laufrad mit Schaufelreihe,
Fig 7 ein Formgesenk zur Veranschaulichung des
Verfahrens zur Herstellung des Laufrades gemäß
Flnns'in der Zeichnung dargestellte Laufrad tO für ein
nichtdargestelltes Gasturbinenstrahltriebwerk besitzt Flanken, bestehend aus zwei Halbschalen 14 und Ib. die
aus heißgepreßtem Siliciumnitrid hergestellt sind U ie
Dicke »t« der Halbschalen ist in der Ebene parallel zur
Lauf radachse X-X konstant. Dadurch, daß die Dicke »t<<
konstant gehalten wird, können die Halbschalen mit
einer gleichförmigen Dichte und demgemäß gleichförmiger Festigkeit hergestellt werden.
Innerhalb der Halbschalen befindet sich ein ringförmiger Einsatzkörper 18 und ein weiterer ringförmiger
Einsatzkörper 20, welch letzterer bei entsprechender
Ausbildung des Laufrades auch wegfallen kann. Das heißt, die Einsatzkörper 18 und 20 können auch
einstückig hergestellt werden, wenn die Wanddicke vermindert ist. Die Einsatzkörper 18 und 20 können
spanabhebend aus Graphit hergestellt werden, jedoch werden sie vorzugswe.se spanabhebend aus reakt.onsgesintertem
Siliciumnitrid hergestellt, da dieses Material
durch Diffusionsverschweißung mit den Halbschalcn bei der Herstellung des Laufradkörpers verbunden werden
kann wie dies unter Bezugnahme auf F- 1 g. 7 beseht icncn
Ein Ring 22 aus heißgepreßtem Siliciumnitrid wird zwischen den radial inneren Teilen der 1 laibschalen und
dem Einsatzkörper 18 festgelegt.
Damit das Laufrad 10 mit einem benachbarten Laufrad oder einer Welle verbunden werden kann, sind
Festlegemittel 24 einstückig mit den Halbschalen hergestellt.
Fig.4 zeigt eine Schaufel, die einen Teil einer Schaufelreihe darstellt, die einstückig mit dem Einsatzkörper
20 hergestellt ist. Die Schaufelreihe und der Einsatzkörper sind aus reaktions-gesinicnem Siliciumnitrid
hergestellt und die Schaufelreihe kann mit dem Laufrad während der Herstellung der Halbschalen
verbunden werden.
Fig. 5 zeigt eine Schaufel, die getrennt von dem
Einsatzkörper 20 hergestellt ist und entweder aus reaktions-gesintertem Siliciumnitrid oder aus heißgepreßtem
Siliciumnitrid hergestellt ist. Der Einsatzkörper 20 wird im Laufrad während der Herstellung der
Halbschalen festgelegt und die Schaufelreihe wird am Laufrad dadurch festgelegt, daß durch Gleiiguß
Siliciumpulver zwischen die Schaufelreihe und das Laufrad gebracht wird und das Silicium-Pulver nitriert
wird.
F i g. b zeigt ein vollständiges Laufrad und eine Schaufelreihe. Gemäß Fig. 7 besteht das Formgesenk
aus einem Graphitzylinder 30 und zwei ringförmigen Formabschnitten 32, 34, die auf einem zentralen Zapfen
36 gelagert sind, dessen Durchmesser der Bohrung des
Laufrades 10 entspricht. Zur Erhitzung des lormgesenkes
ist eine Heizeinrichtung ζ. U. 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 Einsatzkörper 18 und 20 werden zunächst in einem getrennten Verfahren aus reaktionsgesintertem
Siliciumnitrid hergestellt und durch spanabhebende Bearbeitung so geformt, daß die Oberflächen der
Einsatzkörper den inneren Oberflächen der Halbschalen 14,16 entsprechen.
Die so hergestellten Einsatzkörper werden innerhalb des Graphitzylinders über den Formabschnitt 34 gefügt,
wobei eine vorbestimmte Menge von Siliciumnitrid-Pulver
mit Verdichtungsmittel zwischen die Einsatzkörper
und den Formabschnitt 34 gefügt wird. Dann wird der Ring 22 über den zentralen Zapfen 36 gefügt, und es
wird eine weitere vorbeslimmte Menge von Siliciumnitrid-Pulver
und Verdichtungsmittel über die Einsatzkörper 18,20 gefügt und der Formabschnitt 32 wird in seine
Arbeitsstellung gebracht. Dann wird die Form auf etwa 1,8500C erhitzt und es wird ein Druck von 84,4 kg/cm2
auf die Formabschnitte 32, 34 ausgeübt, bis sich das Siliciumnitrid-Pulver verdichtet hat und die Halbschalen
14, 16 gebildet sind. Während des Preßvorganges werden die Einsatzkörper 18,20 und der Ring 22 durch
Diffusionsverschweißung mit den Halbschalen 14, 16 verbunden, während der Formvorgang stattfindet.
Als Verdickungsmittel wird vorzugsweise Magnesiumoxid
in einem Verhältnis von einem Teil Magnesiumoxid auf 20 Teile Siliciumnitrid-Pulver benutzt.
Wie erwähnt, kann die Schaufelreihe während der Herstellung der Halbschalen am Laufrad festgelegt
werden und dies kann durch eine geeignete Gestalt des Formgesenkes bewirkt werden.
Ebenso können die Festlegemittel 24 einstückig mn den Halbschalen hergestellt werden, indem entsprechend
ausgebildete Formabschnitte benutzt werden, die unabhängig von den Formabschnitten 32 und 34
betätigbarsind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Laufrad für eine Gasturbine mit einem Laufradkörper, der zwei heißgepreßte Siliciumnitridflanken aufweist, deren Dicke in Richtung
parallel zur Laufradachse im wesentlichen konstant ist und die mit ihrem radial äußeren Rand die
Beschaufelung tragen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Siliciumnitrid-Flanken
als symmetrische Halbschalen (14, 16) ausgebildet sind, die hitzebeständige Einsatzkörper (18; 20)
umschließen und mit diesen verbunden sind.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen (14, 16) an einer Stelle
aneinander stoßen und daß zwei hitzebeständige Einsatzkörper (18,20) vorgesehen sind.
3. Laufrad nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Ring (22) aus heißgepreßtem Siliciumnitrid vorgesehen ist, der an den radial inneren
Flächender Halbschalen (14,16) und des Einsatzkörpers
(18) angeordnet ist.
4. Laufrad nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,
daß eine Reihe von Schaufeln (26) aus Siliciumnitrid am Umfang des Laufrades angeordnet
sind.
5. Laufrad nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzkörper (18, 20) aus reaktions-gesintertem
Siliciumnitrid hergestellt sind, und daß die Halbschalen (14, 16) durch Diffusionsverschweißung
am Einsatzkörper (18,20) befestigt sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Laufrades gemäß den Ansprüchen I bis 5. dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatzkörper so geformt wird, daß er äußere Oberflächen aufweist, die den inneren
Oberflachen der Halbschalen entsprechen, daß der so hergestellte Einsatzkörper in ein Formgesenk
eingelegt wird, welches zwei Formabschnitte aufweist, deren Arbeitsoberflächen den äußeren Oberflächen
der herzustellenden Halbschalen entsprechen, daß der Raum zwischen den Formteilen und
dem Einsatzkörper mit einer vorbestimmten Menge aus Siliciumnitrid-Pulver und einem Verdickungsmittel
ausgefüllt wird, und daß unter Anwendung von Hitze und Druck das Siliciumnitrid-Maicrial
verdichtet wird und die Halbschalen um den Einsatzkörper herum bildet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatzkörper aus reaktionsgesintertem Siliciumnitrid hergestellt wird, das durch
Diffusionsverschweißung mit den heißgepreßten Silicummtrid-Ilaibschalen verschweißt wird, wenn
diese I lalbschalen hergestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaufelreihe aus Siliciumnitrid
am Umfang des Laufrades durch Gleitguß von Silicium-Pulver zwischen Schaufelreihe und Laufrad
befestigt wird, und daß das Silicium-Pulver nitriert wird, um eine reaktionsgesinterte Silieiumnitrid-Bindung
zwischen der Schaufelreihe und dem Laufrad zu erhalten.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelreihe aus heißgepreßtem
Siliciumnitrid hergestellt wird, und daß der Einsatzkörper mit der Schaufelreihe während des Formvorganges
verbunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaufelreihe mit dem reaktionsgesintertem Silieiumnitrid-Einsaiz integral ausgebildet ist.
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