DE2647301A1

DE2647301A1 - Non-metallic stator or rotor blades - are made individually and assembled between two grooved rings to reduce imposed stresses

Info

Publication number: DE2647301A1
Application number: DE19762647301
Authority: DE
Inventors: Horst R Dr Maier
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1976-10-20
Filing date: 1976-10-20
Publication date: 1978-05-11

Abstract

Joint withstanding high temp. is made between guide vanes or blades directing the flow of gases or liqs. The blades are located with some clearance, between a groove on the outer dia. of an inner ring (a), and a groove in the bore of an outer ring (b); and are then fixed radially by a shoulder ring (c) or an insert (d) in ring (b). Ring (a) may be a nose cone, and ring (b) a combustion chamber. Either ring (a) or (b) may form a drive shaft fitted with rotor blades. The individual parts are pref. made of the same or different non-metallic materials, e.g. ceramics, composite or laminated material based on ceramics, cermets, or glass-ceramics. They are used e.g. in gas turbines, or stirrers or pump rotors for molten metal or other aggressive media. Metals are restricted to a max. service temp. of ca. 950 degrees C., but the non-metallic materials can be used up to 1400 degrees C. The joint or joints reduce the thermal stresses created in the blades by the hot gas or liq., and also reduce the intrinsic stresses arising during mfr.

Description

Steckverbindung von Leitorganen für gasförmige und flüssigePlug connection of guide elements for gaseous and liquid

Strömungsmedien Die Erfindung betrifft eine hochtemperaturbeständige Verbindung von Leitorganen aus nichtmetallischen Werkstoffen für flüssige und gasförmige StrömungsmedienO Als Anwendungsgebiete sind Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, und Metallgießereien zu nennen.Flow media The invention relates to a high temperature resistant Connection of guide elements made of non-metallic materials for liquid and gaseous Flow mediaO The areas of application are internal combustion engines, in particular Gas turbines, and metal foundries.

Die -Energieverknappung und Umweltbelastung erfordert bei den Verbrennungskraftmaschinen eine Verbesserung der Wirkungsgrade. Dies kann beispielsweise durch Erhöhung der Arbeitstemperatur mittels Einsatz von keramischen Werkstoffen erreicht werden. Die Arbeitstemperaturen unter Verwendung metallischer Werkstoffe einschließlich zusätzlicher Kühltechniken sind auf ca0 9500 G beschränkt. Dagegen kann man mit keramischen Werkstoffen Anwendungstemperaturen bis über 14000 C erreichen.The energy shortage and environmental pollution require internal combustion engines an improvement in efficiency. This can be done, for example, by increasing the Working temperature can be achieved by using ceramic materials. the Working temperatures using metallic materials including additional Cooling techniques are limited to approximately 9500 G. On the other hand, you can use ceramic materials Reach application temperatures of over 14000 C.

Darüber hinaus sind solche Werkstoffe gegenüber aggressiven Medien beständige Der Einsatz keramischer Bauteile in der Gasturbine bringt wegen der geringen Duktilität, der Schlagempfindlichkeit und wegen der stationären und instationären Thermospannungen spezielle Probleme mit sich, wie z0 Bo in dem Buch von Do Je Godfrey "Ceramics for Turbines and other High-Temperature Engineering Applications11, Proceedings of the British Ceramic Society, Stoke-on-Trent, Juni 1973 beschrieben werden0 In der selben Literaturstelle von Torti, Allegro et al "Silicon Nitride and Silicon Carbide for High-Temperature Engineering Applications, Seite 129, Figo 111?, wird ferner über einen Leitapparat aus einem Stück berichtet und von N. R. Satz, "Reaction-Bonded Silicon Nitride as a small Gas-Turbine Nozzle Material", Seite 409 ff,über radialflächige Verbindungen einzelner Schaufelsegmente mittels Garnierschlicker. Neben dem großen Fertigungsaufwand besteht der wesentliche Nachteil darin, daß sich in dem geschlossenen Verbund herstellungsbedingte Eigenspannungen und durch das Strömungsmedium induzierte Thermospannungen aufbauen, wodurch die Zuverlässigkeit wesentlich herabgesetzt wird. Hinzu kommt, daß die Garnierstellen oxidationsempfindliche Schwachstellen gegenüber einer Langzeitbeanspruchung darstellen.In addition, such materials are resistant to aggressive media resistant The use of ceramic components in the gas turbine brings because of the low Ductility, the impact sensitivity and because of the stationary and unsteady Thermal voltages pose special problems, such as z0 Bo in the book by Do Je Godfrey "Ceramics for Turbines and Other High-Temperature Engineering Applications11, Proceedings of the British Ceramic Society, Stoke-on-Trent, June 1973 0 In the same reference by Torti, Allegro et al "Silicon Nitride and Silicon Carbide for High-Temperature Engineering Applications, page 129, Figo 111 ?, is also reported on a one-piece diffuser and by N. R. Satz, "Reaction-Bonded Silicon Nitride as a Small Gas Turbine Nozzle Material ", page 409 ff, about radial surfaces Connection of individual blade segments using garnish slurry. Besides the big one Manufacturing expense is the main disadvantage that it is in the closed Composite production-related internal stresses and induced by the flow medium Build up thermal voltages, which significantly reduces reliability. In addition, the garnish points have weak points that are sensitive to oxidation represent a long-term exposure.

Eine garnierte Verbindung zwischen Brennkammerring und Nasenkonus über Rippen oder Stäbe beinhaltet die gleichen Probleme Hinzu kommen die Spannungskonzentrationen an den Anschlußstellen und die Störung der Anströmung zum Leitapparat, Diese bisher bekannten konstruktiven Lösungen, insbesondere für die Verbindung von Leitorganen und Nasenkonen, basieren im wesentlichen auf der Erfahrung mit metallischen Werkstoffen, Beim Übergang auf keramische Werkstoffe ist man sich darüber klargeworden, daß die positiven Eigenschaften solcher Werkstoffe nur durch eine den keramischen Werkstoffen gerecht werdende Konstruktion voll ausgeschöpft werden können.A garnished connection between the combustion chamber ring and the nose cone over ribs or bars involves the same problems plus the stress concentrations at the connection points and the disturbance of the flow to the diffuser, this so far known constructive solutions, especially for the connection of guide organs and nose cones, are essentially based on experience with metallic materials, With the transition to ceramic materials it became clear that the positive properties of such materials only through one of the ceramic materials fair construction can be fully exploited.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochtemperaturbeständige Verbindung zu finden, die durch das Strömungsmedium induzierten thermischen Spannungen und herstellungsbedingte Eigenspannungen in Leitorganen so reduziert, daß ein zuverlässiger Einsatz solcher Bauteile auf nichtmetallischen Werkstoffen ermöglicht bzw. erweitert wird.It is therefore the object of the present invention to provide a high temperature resistant Connection to find the thermal stresses induced by the flow medium and manufacturing-related internal stresses in guide organs so reduced that a more reliable Use of such components on non-metallic materials enabled or expanded will.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einzeln gefertigte, nichtmetallische Strömungsprofile mittels Formschluß über eine Innen- und Außenführung mit Spielsitz gesteckt verbunden und durch einen Schulterring bzwo einen Einschubverschluß axial als auch radial zusammengehalten sind.The object is achieved according to the invention in that individually manufactured, non-metallic flow profiles by means of positive locking over a Inner and outer guides are plugged into the play seat and connected by a shoulder ring or a slide-in lock are held together axially and radially.

Das Spielsitz ist von der Wärmedehnung der einzelnen Komponenten unter Betriebsbedingungen abhängig und verhindert eine Übertragung von inneren Zwangskräften zwischen diesen Durch die entkoppelte Aufteilung in genügend kleine Einheiten können die Thermo- und Eigenspannungen unterkritisch gehalten werden0 Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfinderischen Gedankens ergibt sich auch daraus, daß die Außenführung als Brennkammerring und die Innenführung als Nasenkonus ausgebildet werden0 Dadurch wird eine vollkommen rotationssymmetrische Anströmung der Strömungsprofile erzielt.The play seat is subject to the thermal expansion of the individual components Dependent on operating conditions and prevents the transmission of internal constraining forces between these through the decoupled division into sufficiently small units the thermal and residual stresses are kept subcritical0 An appropriate one Further development of the inventive concept also results from the fact that the external guide be designed as a combustion chamber ring and the inner guide as a nose cone a completely rotationally symmetrical flow towards the flow profiles is achieved.

Brennkammerring und Nasenkonus weisen ebenfalls eine vollkommen rotationssymmetrische Gestalt ohne Durchbrechungen oder plötzliche Querschnittsübergänge auf 0 Dies sind wesentliche Voraussetzungen für die Vermeidung von Spannungsspitzen und die Erhöhung der Zuverlässigkeit eines solchen Leitorgans in einer Gasturbine0 Die Erfindung besteht auch darin, die Innen- oder Außenführung als Antriebswelle auszubilden und das Leitorgan als Rührwerk oder Pumpe von Metallschmelzen und anderen aggressiven Flüssigkeiten einzusetzen0 Die Erfindung enthält ferner die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und Fertigungstechnologien für die einzelnen Bauteile0 So kann das Leitorgan beispielsweise aus Keramik, wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Sialone und Cordierit, aus Cermets oder anderen keramischen Verbund- und Schicht-Werkstoffen bestehen, Solche Bauteile können nach verschiedenen Verfahren wie Isostatisch-Pressen, Heißpressen, Schlickergießen, Spritzgießen, Strangpressen oder durch Wickeltechnik hergestellt werden. Dies gilt auch für die einzelnen Strömungsprofile, die Innen-und Außenführungo Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen.The combustion chamber ring and the nose cone are also completely rotationally symmetrical Shape without breakthroughs or sudden cross-sectional transitions to 0 These are essential prerequisites for avoiding voltage peaks and increasing them the reliability of such a guide element in a gas turbine0 The invention also consists in designing the inner or outer guide as a drive shaft and the guide element as a stirrer or pumping molten metal and others to use aggressive liquids0 The invention also includes the combination different materials and manufacturing technologies for the individual components For example, the guide element can be made of ceramics, such as silicon nitride, silicon carbide, Sialone and cordierite, made from cermets or other ceramic composite and layer materials Such components can be manufactured using various methods such as isostatic pressing, Hot pressing, slip casting, injection molding, extrusion or by winding technology getting produced. This also applies to the individual flow profiles, the interior and the External guide o Further advantages and features of the invention emerge from the following Description and the exemplary embodiments.

Die Abbildungen zeigen: Fig. 1: Perspektivischer Schnitt durch ein Leitorgan, Figo 2:: Längsschnitt durch ein Leitorgan in Kombination mit Nasenkonus und Brennkammerring, Figo 3a und 3b: Längsschnitt durch ein Leitorgan als Rührwerk oder Pumpe. - - Leit- und/oder Förderorgane setzen sich in der Regel aus liner Innen- 2 und Außenführung 3 und den dazwischenliegenden Strömungsprofilen 1 zusammen wie in Fig. 1 dargestellt isto In Figo 2 und im folgenden Beispiel wird ein solches Leitorgan in Verbindung mit einem Brennkammerring 6 und einem Nasenkonus 7 für den Gasturbinenbau beschrieben0 Beispiel 1: Im Gasturbinenbau wird das Leitorgan gemäß Fig. 1 als Stator zwischen Brennkammer und Turbinenlaufrad angeordnet.The figures show: Fig. 1: Perspective section through a Leitorgan, Figo 2 :: Longitudinal section through a guide organ in combination with a nose cone and combustion chamber ring, Figo 3a and 3b: longitudinal section through a guide element as a stirrer or pump. - - Management and / or funding bodies usually sit down from liner inner 2 and outer 3 and the flow profiles in between 1 together as shown in Fig. 1 o In Figo 2 and in the following example such a guide element in connection with a combustion chamber ring 6 and a nose cone 7 for gas turbine construction0 Example 1: In gas turbine construction, the guide element is 1 arranged as a stator between the combustion chamber and the turbine impeller.

Das Schaufelprofil ist durch den angestrebten Prozeßablauf vorgegeben. Unter anwendungsähnlichen Bedingungen bis zu einer Gastemperatur von 14500 C zeigt ein solches Leitorgan folgenden Aufbau: Spritzgegossene Strömungsprofile 1 aus reaktionsgebundenem Siliziumnitrid mit ringförmigen längs den Profilanstellwinkel getrennten Deckbandsegmente 8 isostatisch gepreßter Irnenring 2 aus reaktionsgebundenem Siliziumnitrid mit rechteckiger umlaufender Außennut 9 zur Aufnahme der inneren Deckbandsegmente 80 Isostatisch gepreßter Außenring 3 aus reaktionsgebundenem Siliziumnitrid mit einer zylinderischen Ansenkung 10 zur Aufnahme der äußeren Deckbandsegmente 8 der Profilschaufeln 1. Da reaktionsgebundenes Siliziumnitrid während des Brennprtzesses praktisch keiner Schwindung unterliegt, kann der Spielsitz zzisehen den einzelnen Komponenten im vornitrierten Zustand der isostatiscb gepreßten Ringe überprüft werden. Die Teile bedürfen nach dem Nitrieren keiner Naehiearbeitung Die Montage der Strömungsprofile 1 erfolgt durch Einlegen derselben in die Außennut 9 der Innenführung 2 und Einschieben dieser Einheit in die Ansenkung 10 der Außenführung 3. Die Schaufeln werden durch einen Schulterring t gegen axiales Verschieben gesichert0 Tangentiale Relativverschiebung zwischen den einzelnen Komponenten wird durch Reibschluß unterbunden; Die beschriebene Einheit zeigt ein einwandfreies Verhalten bis zu Gastemperaturen von über 1450° C.The blade profile is predetermined by the desired process sequence. Under application-like conditions up to a gas temperature of 14500 C shows such a guide element has the following structure: Injection-molded flow profiles 1 made of reaction-bound Silicon nitride with ring-shaped shroud segments separated along the profile angle 8 isostatically pressed inner ring 2 made of reaction-bonded silicon nitride with a rectangular circumferential outer groove 9 for receiving the inner shroud segments 80 isostatic Pressed outer ring 3 made of reaction-bonded silicon nitride with a cylindrical Countersink 10 for receiving the outer shroud segments 8 of the profile blades 1. Because reaction-bonded silicon nitride during the firing process is practically not subject to shrinkage, the play seat can zzisehen the individual Components are checked in the pre-nitrided state of the isostatically pressed rings. The parts do not require any sewing after nitriding. The assembly of the flow profiles 1 takes place by inserting the same into the outer groove 9 of the inner guide 2 and pushing it in this unit into the countersink 10 of the outer guide 3. The blades are through a shoulder ring t secured against axial displacement0 Tangential relative displacement between the individual components is prevented by frictional engagement; The described Unit shows perfect behavior up to gas temperatures of over 1450 ° C.

Aufgrund der besseren Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit ist es naheliegend1 zumindest für die Strömungsprofile anstelle von Siliziumnitrid auch Siliziumcarbid einzusetzen, ohne daß man sich andere Nachteile einhandelt.Because of the better wear and oxidation resistance it is obvious1 at least for the flow profiles instead of silicon nitride as well Use silicon carbide without incurring other disadvantages.

Weiterhin kann das Leitorgan gemäß Fig. 2 auf die Verbindung von Nasenkonus 7 und Brennkammerring 6 erweitert werden.Furthermore, the guide member according to FIG. 2 can be used to connect the nose cone 7 and combustion chamber ring 6 can be expanded.

Die Fertigung eines Nasenkonus 7 anstelle der Innenführung und eines Brennkammerrings 6 anstelle des Außenrings stellt keine Probleme dar. Gegenüber den bisher bekannten Verbindungen wird eine ideale ungestörte Anströmung der Strömungsprofile erzielt und Spannungskonzentrationen vermieden Das Leitorgan wird vollkommen rotationssymmetrisch beansprucht und weist dadurch eine verbesserte Zuverlässigkeit auf.The manufacture of a nose cone 7 instead of the inner guide and one Combustion chamber ring 6 instead of the outer ring poses no problems the connections known up to now an ideal undisturbed flow of the flow profiles achieved and stress concentrations avoided. The guide organ becomes completely rotationally symmetrical claimed and thus has improved reliability.

Beispiel 2: Am Beispiel eines Rührwerks oder einer Pumpe für Metallschmelzen, wie in Figo 3a und 3b dargestellt, wird der Einschubverschluß 5 erklärt. Die Innenführung wird mit einer rechteckigen umlaufenden Außennut 9, die Außenführung mit einer rechteckigen umlaufenden Innennut 11 zur Aufnahme der Deckbandsegmente der Strömungsprofile 1 ausgebildet. Die Nuten werden an einer Stelle zum axialen Einschieben der Strömungsprofile in der Breite eines Schaufelsegments einseitig geöffnete Nach dem Einschieben aller Strömungsprofile 1 wird die Innenführung 2 gegenüber der Außenführung 3 verdreht, wobei durch Reibschluß unter Last ein Herausfallen der Strömungsprofile 1 verhindert wird.Example 2: Using the example of an agitator or a pump for molten metal, As shown in Figs. 3a and 3b, the slide-in lock 5 is explained. The interior guide is with a rectangular circumferential outer groove 9, the outer guide with a rectangular circumferential inner groove 11 for receiving the shroud segments of the flow profiles 1 educated. The grooves are at one point for the axial insertion of the flow profiles After pushing in all of them, open on one side in the width of a shovel segment Flow profile 1, the inner guide 2 is rotated relative to the outer guide 3, wherein the flow profiles 1 are prevented from falling out under load by frictional engagement will.

Der tangentiale Reibschluß dient praktisch als Rutschkupplung gegenüber Überlast, kann aber gegebenfalls durch einen stellenweisen Formschluß zwischen den Strömungsprofilen und der als Antriebswelle ausgebildeten Innen- oder Außenführung unterstützt werden. Beispielsweise durch ein axial verlängertes Deckband 12 des letzten Schaufelsegments auf der Seite der Antriebswelle 13. Die Rotationsbewegung der Antriebswel Ee bewirkt im Zusammenhang mit den angestellten Strömungsprofilen eine Förderbewegung der Flüssigkeit, ze Bo von Metallschmelzen, die durch entsprechende Formgebung der Außen- und Innenführung auch radial umgelenkt werden kann.The tangential frictional engagement practically serves as a slip clutch opposite Overload, but can possibly be caused by a form fit between the Flow profiles and the internal or external guide designed as a drive shaft get supported. For example, by an axially elongated shroud 12 of the last blade segment on the side of the drive shaft 13. The rotational movement the drive shaft Ee effects in connection with the salaried Flow profiles a conveying movement of the liquid, ze Bo of molten metal, which is also deflected radially through the corresponding shaping of the outer and inner guides can be.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, daß durch die entkoppelte Aufteilung des Leitorgans in genügend kleine Funktionseinheiten mit definiertem Spiel einerseits die Eigen-und Thermospannung unterkritisch gehalten werden und andererseits der Einsatz von wirtschaftlichen Fertigungsmethoden ermöglicht wird0 Durch die reine Steckverbindung entfallen jegliche Verbindungsprobleme zwischen gleichen und unterschiedlichen Werkstoffen, wodurch die Kombination einzeln optimierter Komponenten ermöglicht wird0 Die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit wird nicht zuletzt durch die Vorauswahl von Einzelkomponenten und die einfache Reparierbarkeit von Teilschäden durch Auswechseln zusätzlich erhöhte Es sind deshalb %wichtige Kostenreduzierungen gegenüber den bekannten Lösungen vorhandene Weiterhin kann durch diese werkstoffgerechte Eonstraktion die Arbeitstemperatur der Gasturbine bereits mit den derzeit verfügbaren Keramiken wesentlich erhöht und eine Gewichtsreduzierung herbeigeführt werden0 Gegenüber den hochwertigen Metallegierungen führen neben der funktionellen Überlegenheit bei vergleichbaren Stückzahlen billigere Rohstoffe, einfache Fertigungstechniken und die längeren Standzeiten zu einer'deutlichen Kostenreduzierung0 Für den Bereich der Metallsehmelzen ist neben den bereits genannten Vorteilen insbesondere die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit keramischer Werkstoffe zu nennen die den Kontaminierungsgrad der Schmelzen wesentlich heratsetzen und die auch die Standzeiten solcher Aggregate in Schmelzen wesentlich erhöhen, womit ebenfalls die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.According to the invention, it is particularly advantageous that by the decoupled Division of the leading organ into sufficiently small functional units with a defined Game on the one hand the intrinsic and thermal voltage are kept subcritical and on the other hand, the use of economical production methods is made possible0 The pure plug connection eliminates any connection problems between same and different materials, making the combination more individually optimized Components is made possible0 The economy and reliability will not Finally, through the pre-selection of individual components and the ease with which they can be repaired Partial damage due to replacement is also increased. Therefore, there are% important cost reductions Compared to the known solutions, this can also be made suitable for the material Eontraction the working temperature of the gas turbine already with the currently available Ceramics are significantly increased and a weight reduction brought about0 compared to The high-quality metal alloys lead in addition to the functional superiority Cheaper raw materials for comparable quantities, simple manufacturing techniques and the longer downtimes lead to a significant reduction in costs for the area In addition to the advantages already mentioned, the metal clay is particularly excellent Corrosion resistance of ceramic materials to mention the degree of contamination the melting and the service life of such units increase significantly in melts, which also improves profitability will.

Die Erfindung ermöglicht eine Kombination der derzeit verfügbaren Werkstoffe und Herstellungstechnologien und beschleunigt die Substitution der hochwertigen und seltenen Metall-Legierungen durch geeignetere längerfristig billigere und praktisch beliebig verfügbare Werkstoffe auf keramischer Basis.The invention enables a combination of those currently available Materials and manufacturing technologies and accelerates the substitution of high quality and rare metal alloys due to more suitable longer-term cheaper and practical Any available ceramic-based materials.

/ANSPRÜCHE/EXPECTATIONS

Claims

CLAIMS í? High temperature-resistant connection of guide organs for gaseous and liquid flow media n e t that individually manufactured, non-metallic flow profiles (i) by means of positive locking Plugged into a play seat via an inner (2) and outer guide (3) and connected through a shoulder ring (4) or an insertion lock (5) held together axially and radially are.

2. Guide element according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the inner guide (2) as a nose cone (7) and the outer guide (3) as Combustion chamber ring (6) is formed.

3. Guide element according to claim 1, d-a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e tS that the inner guide (2) or the outer guide (3) as the drive shaft (13) works.

4. Guide element according to claims 1 to 3, d a d u r c h g e k e n It is not indicated that the individual components are the same or different non-metallic materials such as ceramics, composite and laminated materials on ceramic Base, cermets and glass ceramics are made.