DE2604171A1

DE2604171A1 - Aus keramischen werkstoffen bestehendes laufrad fuer turbinen

Info

Publication number: DE2604171A1
Application number: DE2604171A
Authority: DE
Inventors: Paul Ing Grad Rottenkolber
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1976-02-04
Filing date: 1976-02-04
Publication date: 1977-08-11

Description

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YOLKS WAGEN V ERK
Aktiengesellschaft

3180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2093
1702-pt-we-jä

Aus keramischen Werkstoffen bestehendes Laufrad für Turbinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein aus keramischen Werkstoffen bestehendes Laufrad für Turbinen, insbesondere für von hohen Temperaturen beaufschlagte Gasturbinen, mit einem radial äußeren, Schaufeln aufweisenden Kranzteil und einem radial inneren, eine Habe aufweisenden Scheibenteil, wobei das Kranzteil durch Reaktionssintern und das Scheibenteil durch Heißpressen jeweils getrennt hergestellt sind und beide Teile an den miteinander in Berührung kommenden Flächen durch einen feuerfesten Zement zu einem einstückigen Bauteil zusammengefaßt sind.

Ea der Wirkungsgrad und die spezifische Leistung einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, entscheidend von der Temperatur des Arbeitsmittels abhängen, bernühu man sich heute zunehmend,

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die durch die Verwendung von metallischen Werkstoffen begrenzte Arbeitstemperatur dadurch zu steigern, daß keramische Werkstoffe wie Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid bei den das Arbeitsmittel führenden Turbinenteilen verwendet werden. Diese Werkstoffe erlauben es dann, die Arbeitsmitteltemperacur auf ca. 1.350 C zu erhöhen.

Um die bei der Herstellung derartiger keramischer Laufräder entstehenden Schwierigkeiten zu umgehen, ist auch bereits vorgeschlagen worden (DT-OS 2 353 551), das Laufrad in einen radial äußeren, die Schaufeln aufweisenden Kranzteil und einen radial inneren, die Habe aufweisenden Scheibenteil zu teilen und dia beiden Teile jeweils für sich in getrennten Pertigungsvorgängen herzustellen. Dabei wird das Kranzteil vorzugsweise durch einen Reaktionssintervorgang gefertigt, bei dem eine relativ gute Genauigkeit auch für kompliziert aufgebaute Teile erzielt werden kann» Das Scheibenteil wird dagegen zweckmäßiger Weise durch Heißpressen hergestellt, wobei eine sehr hohe Festigkeit erreicht wird. Zur Verbindung der beiden Teile ist auch bereits die Verwendung eines feuerfesten Zementes vorgeschlagen worden, der auf den miteinander in Berührung kommenden Flächen aufgetragen und einer besonderen Wärmebehandlung zur Erzeugiuig einer dauerhaften Verbindung der Teile unterzogen wird.

Zur praktischen Herstellung eines derartigen keramischen Turbinenlaufrades war jedoch vorgesehen, daß das die Habe aufweisende Scheibenteil aus zwei symmetrischen Einzelteilen bestehen sollte, die bei der Fertigstellung des Laufrades durch das Verkleben mit dem feuerfesten Zement axial zusammengepreßt wurden und dabei auch das Kranzteil zwischen sich einklemmten. Dabei ergeben sich jedoch relativ große, durch den Zement miteinander zu verbundene Flächen, die zudem mit relativ hoher Maßgenauigkeit ausgeführt werden müssen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ausgehend von einem Laufrad der eingangs genannten Bauart eine

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Ausführung zu schaffen, die die suTor erwähnten Bach.teile vermeidet,

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die miteinander in Berührung kommenden Flächen durch eine innere konische Mantelfläche an dem Kranztei.1 und durch eine entsprechende, äußere konische Mantelfläche an dem Scheibenteil gebildet sind. Im Gegensatz zu der bekannten Ausführung wird hier also eine durchgehende, konische Teilfuge zwischen dem Kranzteil und dem einteilig hergestellten Scheibenteil vorgesehen, wodurch die zu zementierende Fläche wesentlich kleiner wird. Dadurch kann auch eine gleichmäßigere Verteilung des für die Verbindung benötigten feuerfesten Zementes gewährleistet werden und die an die Maßgenauigkeit der beiden, in getrennten Arbeitsgängen hergestellten Teile zu stellenden Anforderungen sind wesentlich geringer.

Um eine genügend breite Berührungsfläche zur Erzeugung einer ausreichenden Verbindung zwischen dem Kranzteil und dem Scheibenteil zur Verfügung zu haben, ist es zweckmäßig, wenn die konischen Berührungsflächen in einem Bereich des Laufrades mit großer axialer Breite, und vorzugsweise im Bereich des äußeren Schaufelkranze,.} vorgesehen sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt dabei einen Längschnitt durch ein erfindungsgemäßes keramisches Turbinenlaufrad, bei dem mit das Laufrad, mit 2 ein radial äußeres, Schaufeln 3 aufweisendes Kranz beil und 4 ein radial inneres, eine Habe 5 aufweisendes Scheibenteil bezeichnet sind. Sowohl das Kranzteil 2 als auch das Scheibenteil 4 bestehen aus keramischen Werkstoffen, und zwar vorzugsweise aus Siliziumnitrid (Si* ^.). Während aber das Kranzteil 2 durch einen ansich bekannten Heaktionssintervorgang hergestellt wurde, bei dem auch die Schaufeln J mit relativ guter Genauigkeit und ohne größere fertigungstechnische Schwierigkeiten

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ausgebildet werden können, ist das Scheibenteil durch ebenfalls bekanntes Heißpressen unter Verwendung bekannter Fließmittel als separates Teil gefertigt worden. Die Dichte des heißgepreßten Siliziumnitrids liegt nahe der theoretischen und es ergibt sich eine relativ hohe Festigkeit dieses insbesondere mechanisch hoehbelasteten Bauteils. Die Dichte des reaktionsgesinterten Siliziumnitrids liegt dagegen bei ca. 0,6 bis 0,9 der theoretischen Dichte. Die Festigkeit dieses Werkstoffes ist relativ gering, reicht aber für die beispielsweise in den Turbinenschaufeln auftretenden Beanspruchungen aus. Der Vorteil des reaktionsgesinterten Siliziumrxitrids besteht darin, daß bis zu sehr hohen Temperaturen praktisch kein Kriechen auftritt, so daß sich gerade für die Anwendung bei heißgasführenden Bauteilen empfiehlt.

Die Verbindung der beiden separat hergestellten Bauteile, nämlich des reaktionsgesinterten Kranz teils und des heißgepreßten Scheibenteils erfolgt nun durch Verkleben mit einem ebenfalls bekannten feuerfesten Zement, der zur Erzeugung des notwendigen Zusammenhaltes einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Um bei der Zusammenfügung der beiden Bauteile ausreichend große, aber nicht zu große mit dem feuerfesten Zement zu belegende Flächen zu erhalten, sollen gemäß der Erfindung diese Berührungsflächen durch einander entsprechende konische Mantelflächen, und zwar durch eine konische Innenkontur 6 des Kranzteils und eine dazu passende konische Außenkontur des Scheibenteils 4 gebildet werden. Nach Aufbringen des feuerfesten Zementes 8 auf die Mantelflächen 6 und 7 werden bei der Fertigstellung des Turbinenlaufrades das Kranzteil 2 und das Scheibenteil 4 axial in Richtung der beiden in der Zeichnung gezeigten Pfeile 9 zusammengefügt und unter geringem Druck und bei geeigneter Temperatur zur Verbindung durch Aushärten des Zementes gebracht.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind diese konischen Mantelflächen 6 und 7 im Bereich des radial äußeren Schaufelkranzes des Laufrades vorgesehen, wo eine genügend große axiale Breite vorhanden und die Beanspruchung des Scheibe durch Fliehkraft- und Temperaturspannungen noch relativ gering ist. Diese Verbindung der beiden getrennt herge-

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stellten Laufradteile an einer konischen Umlauffläche erfordert keine au hohe Maßgenauigkeit der beiden Einselteile und gewährleistet zum anderen eine gleichmäßige Verteilung des benötigten feuerfesten Zementes..Gegenüber der bisher bekannten Ausführungsform, bei der das Scheibenteil aus zwei symmetrischen Bauteilen hergestellt werden mußte, kann hier d*as Scheibenteil als Einzelteil durch Heißpressen gefertigt werden, wodurch eine zusätzliche Terbindungsfläche entfällt. Auch kann dadurch die radiale Erstrekkung des Schatcfelkranzes kleiner gehalten werden.

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Claims

A IT SPRÜCHE

1.j Aufs keramischen Werkstoffen bestehendes Laufrad für Turbinen, insbesondere für von hohen Temperaturen beaufschlagte Gasturbinen, mit einem radial äußeren, 'Schaufeln aufweisenden Kranzteil und einem radial inneren, eine Habe aufweisenden Scheibenteil , wobei das Kranzteil durch Heaktionssintern und das Scheibenteil durch Heißpressen jeweils getrennt hergestellt sind und beide Teile an den miteinander in Berührung kommenden Flächen durch einen feuerfesten Zement zu einem einstückigen BauteiJJzusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander in Berührung kommenden Flächen durch eine innere konische Mantelfläche (6) an einem Kranzteil (2) und durch eine entsprechende, äußere konische Mantelfläche (7) an den Scheibenteil (4) gebildet sind.

Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Berührungsflächen (6, 7) in einem Bereich des Laufrades (1) mit großer axialer Breite vorgesehen sind.

Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Berührungsflächen (6, 7) im Bereich des radial äußeren Schaufelkranzes vorgesehen sind.

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