DE2648026A1

DE2648026A1 - Verbessertes verfahren zum herstellen gekuehlter fluegelfoermiger schaufeln

Info

Publication number: DE2648026A1
Application number: DE19762648026
Authority: DE
Inventors: John William Daly; Kenneth Alonzo Darrow; Paul Herriman Kydd
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-10-29
Filing date: 1976-10-23
Publication date: 1977-05-05
Also published as: GB1554195A; JPS5254810A; FR2329402A1; US4040159A; NL7609371A; NO763676L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Verfahren zum Herstellen gekühlter nicht-linearer flügeiförmiger Schaufeln, wie Turbinen- und Kompressorschaufeln.

In der US-PS 2 641 439 ist ein allgemeines Verfahren zum Herstellen einer Turbinen- oder Kompressorschaufel mit einer Vielzahl von Durchgängen relativ dicht an der Oberfläche für den Durchgang eines Gases oder einer Flüssigkeit zum Kühlen der Schaufel beschrieben.

Nach dieser vorgenannten US-PS erhält die Oberfläche des Kernes der Turbinenschaufel viele Rillen eingeformt, die durch Stege

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voneinander getrennt sind. Die Abdeckung für diese Rillen zur Schaffung abgeschlossener Kanäle für die Leitung der Kühlflüssigkeit oder des Kühlgases wänrend des Gebrauches wird durch Plattieren einer Metallschient über dem Schaufelkern geschaffen, wozu die Rillen zuerst mit einem Material wie Aluminium, Cadmium oder einem graphithaltigen Wachs gefüllt werden. Danach bildet man durch elektrolytische Abscheidung ein oder mehrere Metallschichten darüber, welche die Haut bilden.

Nachdem die Haut niedergeschlagen und an Ort und Stelle verbunden worden ist, entfernt man nach der vorgenannten US-PS das Füllstoffmaterial unter Hinterlassung offener Durchgänge, die durch die Rillen und die darüber angeordnete Metallhaut begrenzt werden. Ist das Füllstoffmaterial Aluminium, dann beseitigt man es nach dieser US-PS durch Umsetzung mit Soda. Ist das Füllstoffmaterial Cadmium, beseitigt man es durch Verdampfen unter Erhitzen. Ein graphithaltiges Wachs als Füllstoffmaterial wird durch Schmelzen entfernt.

Das Verfahren nach der vorgenannten US-PS kann erfolgreich angewendet werden, wenn die Kühlkanäle einen beträchtlich grösseren Querschnitt haben als die kapillarartigen Durchgänge, die in flüssigkeits- oder gasgekühlten Turbinenschaufeln verwendet werden,, die in der US-PS 3 446 481 beschrieben sind. Für diese kapillarartigen Durchgänge ist es besonders wichtig, dass kein Verstopfen auftritt, weil sonst die Strömung des Kühlmittels verzögert würde. Und da solche Turbinen bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden sollen, kann ein Kühlausfall an irgendeinem oder mehreren Teilen der Oberfläche der Schaufel sehr ernste Folgen haben.

Nach dem Verfahren der US-PS 2 641 439 wird die Flügelhaut an Ort und Stelle, z.B. durch Elektroplattieren, hergestellt. Wird jedoch das normale Wasserstoff- oder Vakuumlötverfahreη auf mit Lotmittel versehene vorgeformte Häute für Flügelkerne angewandt, dann

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reinigt das Verfahren alle vorhandenen Oberflächen, d.h. macht sie frei von Oberflächenoxyden und anderen Verunreinigungen. Das Lötmaterial kann dann frei über diese Oberflächen fliessen. Eine Blockierung der Kühlkanäle kann durch Eintreten geschmolzenen Lotmaterials in die Kühlmittelkanäle auftreten.

In der US-PS 3 402 914 ist ein Verfahren zum Steuern der Durchlässigkeit eines porösen Materials und einer damit hergestellten Turbinenschaufel beschrieben. Es wird eine transpirationsgekühlte Turbinenschaufel diskutiert, die eine poröse Umhüllung aufweist, die auf einem die Belastung tragenden Holm montiert ist, wobei ausgewählte Teile der Umhüllung nachfolgend in der Durchlässigkeit verringert werden. Dies wird bewerkstelligt durch selektives Niederschlagen von Material auf der Umhüllung, um die Poren in einem oder mehreren Bereichen der Umhüllung zu bedecken. Das Kühlmittel wird dem Inneren der Schaufel zugeführt und sickert durch die poröse Umhüllung.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 33 784.8 sind Verfahren zum Herstellen des Flügelkernes einschliesslieh damit enthaltener Kanäle vor dem Aufbringen des flexiblen Maschensubstrates gemäss der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 42 737.2 ist ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von gekühlten Turbinen- oder Kompressorschaufeln beschrieben, bei dem eine Substratschicht, wie eine dünne metallische Unterhaut, auf die Kernoberfläche aufgebracht wird, nachdem ein heiss deformierbares teilchenförmiges Material auf das Substrat aufgebracht ist.

Im Gegensatz zu den obigen Patenten und Patentanmeldungen ist die vorliegende Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines gekühlten nicht-linearen flügeiförmigen Körpers gerichtet, der einen mit Ausnehmungen versehenen Kern aufweist, der abgedeckt ist durch ein aus vielen Schichten bestehendes flexibles Maschen-

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teilsübstrat, das durch Kalandrieren erhalten wurde und gelötet ist. Eine korrosionsbeständige Schicht haftet an dem gelöteten Substrat oder an einer Metallschicht, die an dem gelöteten Substrat haftet.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung ei-

tr „^zur Herstellung/ . . *.,., ι

nes verbesserten Verfanrensieines gekühlten nicht-linearen flugeiförmigen Körpers mit einer resultierenden dicht angepassten Haut.

Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schliesst ein Verfahren zum Formen eines gekühlten nicht-linearen flügeiförmigen Körpers die Schaffung eines mit Ausnehmungen versehenen Kernes ein, der mit einem durch Kalandrieren hergestellten,aus vielen Schichten bestehenden flexiblen Maschensubstrat bedeckt ist, weiter das Aufbringen einer Lotlegierung und das Löten, wobei die Maschensubstratporen vollständig gefüllt werden und das Aufbringen einer korrosionsbeständigen Schicht über dem gelöteten Maschenteilsubstrat.

Der flügeiförmige Körper weist einen Flügelkern mit einem Plattformteil und einer Ansatzstruktur auf. Der Kern mit dem Plattformteil weist eine Vielzahl von in die Oberfläche eingelassenen Kühlkanälen auf. Wie in der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 33 784.8 beschrieben, wird das Löten vorgeformter Häute auf Flügelkerne zur Herstellung von Düsenteilen, Turbinenschaufeln oder Kompressorschaufeln in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre oder im Vakuum ausgeführt, und dies mit einer Oberfläche, die vollständig sauber und frei von Oxyden und anderen Verunreinigungen ist. Unter diesen Bedingungen fliesst die geschmolzene Lötlegierung frei über diese Oberflächen, wobei ein bevorzugtes Fliessen zu den saubersten Bereichen erfolgt, Das Fliessen der geschmolzenen Legierung in Kühlkanäle kann den Durchgang des Kühlmittels durch diese Kanäle beeinträchtigen oder blockieren.

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Nach der Bestimmung des Mechanismus, durch den die Behinderung der Kühlkanäle durch Lötmaterial gefördert wird, versieht man die Oberflächen der Kühlkanalwände vor dem Aufbringen der kalandrierten vielschichtigen flexiblen Maschenteilsubsträte auf die Flügelkerne mit einer Schicht aus Oxydmaterial. Das für diesen Zweck ausgewählte Oxyd muss stabil, d.h. in trockenem Wasserstoff nicht reduzierbar sein, wie Aluminiumoxyd, Titanoxyd oder Zirkoniumoxyd. Während des Lötens werden die Oxyd-bedeckten Seiten der Kühlkanäle durch die geschmolzene Lötlegierung nicht benetzt und ein Verstopfen der nun bedeckten Kühlkanäle während der Herstellung der Schaufel wird stark verringert. Das Verstopfen dieser Kanäle durch Lötmaterial wird so gut wie beseitigt.

Ist der Flügelkern aus einer Legierung hergestellt, die als Bestandteile ein oder mehrere Elemente wie Aluminium oder Titan hat, die in trockenem Wasserstoff nicht reduzierbare Oberflächenoxyde bilden können, dann erhitzt man den Flügelkern für eine kurze Zeit, etwa eine Stunde, in Luft auf etwa 4OO°C. Die gesamte Oberfläche des Flügelkernes wird dann mit einer dünnen Schicht des nicht reduzierbaren Oxydes bedeckt sein. Typische Legierungszusammensetzungen, die auf diese V/eise behandelt werden können, sind Inconel 718, Inconel 738 und U5OO oder irgendwelche anderen Legierungen, die ähnliche Mengen an Aluminium und/oder Titan enthalten.

Als nächstes werden die ausgenommenen Kühlkanäle mit einem leicht depolymerisierbaren Polymerfüllstoff gefüllt. Dieser Füllstoff wird durch Bestreichen der Kanäle mit einem kleinen Kamelhaarpinsel aufgebracnt, wobei man nach jeder Aufbringung trocknen lässt, bevor man mehr aufträgt. Diese Art der Auftragung wird wiederholt, bis die Kanäle gefüllt oder überfüllt sind, damit sie den nachfolgenden Reinigungsverfahren widerstehen können, ohne die die Kanaloberflächen bedeckende Oxydschicht freizugeben. Dann wird die Flügelkernoberfläche abgeschliffen, wie mit einem Sandgurt, um irgendwelches Füllstoffmaterial und das gesamte Oxyd von dem Oberteil der Stege zwischen den Kühlkanälen zu entfernen. Dann wird der Flügelkern mit Perlen abgestrahlt,um überschüssigen Polymerfüllstoff und

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Oxyd aus den kleinen Oberflächenvertiefungen zu entfernen, die beim Abschleifen übrig geblieben sind, wobei das Abstrabin mit den Perlen auch zum Aufrauhen der Oberfläche der Stege dient.

Durch das Abschleifen und Abstrahlen mit Perlen sind nur die Oberteile der Stege freigelegt und gesäubert und vorzugsweise wird auf den Flügelkern als nächstes ein überzug aus Glanznickel, z.B. einer Dicke von etwa 0,013 mm, nur auf diese freigelegten Bereiche durch Elektroplattieren aufgebracht.

Zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens kann der Polymerfüllstoff wahlweise aus den Kanälen entfernt weraen. Besteht eine Notwendigkeit für eine Extraabstutzung des Flügelsubstrates, die während des Versehens mit der Kaut zuerst aufzubringen ist, dann kann man das Polymermaterial an Ort und Stelle belassen und es während des Verlötens entfernen. Das Entfernen des Polymerfüllstoffes erfolgt rasch, in etwa J>Q Sekunden, in einem Vakuumentfetter, wo es einem heissen Lösungsmittel, wie Trichloräthylendämpfen, ausgesetzt und von diesen gelöst ist.

Eine flexible metallische Maschenteilhaut wird als Substrat verwendet. Dieses Substrat umfasst vielschichtige flexible metallische Maschenteile aus zwei oder drei solchen Teilen. Diese Teile sind durch Walzen oder Kalandrieren in üblicher Weise mechanisch miteinander verriegelt, um eine verringerte Dicke zu schaffen und zur Erzeugung einer geringen Porosität sind sie geglüht.

Das Problem beim Versehen eines flügeiförmigen Körpers, wie einer Schaufel, mit einer Haut, ist immer die exakte Anpassung der Haut an den Kern gewesen, so dass sie leicht angelötet werden kann, wobei alle Kühldurchgänge wasserdicht sein sollen und die Kanäle ohne Lötlegierung bleiben sollen. In den bisherigen Verfahren war es erforderlich, die Haut unter Verwendung von Werkzeugen, einer Vorrichtung zum Festhalten von Metallblech^, T '^Haueisen und Hammer vorzuformen oder einen äusseren Druck auf die Haut während

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des Lötens auszuüben, um die Haut an die Konturen des Kernes oder der Gussoberfläche anzupassen. Das gemäss der vorliegenden Erfindung anstelle einer Metallhaut benutzte Maschenteil kann leicht von Hand um einen Gusskörper gewickelt und gereckt werden, wenn es notwendig ist, die Haut in innigen Kontakt mit dem Kern oder Gusskörper zu bringen.

Der erforderliche Schweissstrom ist sehr viel geringer als für ein Metallblech äquivalenter Dicke. Ein geringer Strom bedeutet geringere Verformung der Haut während des Punktschweissens, eine verringerte Möglichkeit des Brennens von Löchern in das Drahtnetz während des Punktschweissens und ein glatteres Substrat, auf dem die Haut aufgebaut wird. Die Lötlegierung wird auf der Haut angeordnet und muss durch das Maschenteil laufen, bevor es in die Kanäle gelangt und diese verstopfen kann. Dies steht im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren, bei denen die Lotlegierung unter der Haut oder in den Kanälen angeordnet wurde und wo die Lötlegierung rasch unter der Haut entlang fliessen und diese rasch löten soll.

Das flexible Metallnetzteilsubstrat ist aus zwei oder drei flexiblen Metallmaschenteilen zusammengesetzt, die mechanisch miteinander verriegelt wurden. Die dabei entstandene Haut hatte eine verringerte Dicke und wurde zum Erreichen einer geringen Porosität geglüht. Solche Netzteile können aus solchem Material wie Sieb oder Gewebe und aus verschiedenen Metallen wie Nickel, Monel-Legierung oder rostfreiem Stahl bestehen. Werden zwei oder drei solcher Teile zu einem flexiblen Sieb geformt, dann ist die erhaltene Struktur reckbar und hat eine geringe Porosität. Ein einzelnes Sieb, das gewalzt und geglüht ist, zeigt diese Vorteile nicht. Werden mehr als drei solcher Teile in einem Versuch verwendet, eine flexible Haut herzustellen, dann ist das mechanische Verriegeln mechanisch schwierig wenn nicht unmöglich und führt zu einem Produkt, das seine Flexibilität und Reckbarkeit verloren hat.

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ORIGINAL INSPECTED

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Die flexiblen metallischen Netzteile wurden anfänglich entfettet und vor dem Kalandrieren mit Säure gesäubert, um zu verhindern, dass Oxyde und andere Reste in das Substrat eingewalzt werden. Dann kalandriert man zwei oder drei solcher Metallnetzteile zu mindestens der Hälfte der ursprünglichen Gesamtdicke, indem man sie in einer konventionellen Walze walzt. Das flexible metallische Netzteilsubstrat wird entfettet und durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1000⁰C in trockenem Wasserstoff geglüht, um irgendwelche Oxyde zu entfernen und eine maximale Flexibilität zu erhalten. Dann wird das Substrat zur Anpassung an den Kern geschnitten.

Während des Kalandrierens werden die Netzteile mechanisch verriegelt, wodurch die Drähte der einen Schicht des Netzteiles gekräuselt und in die Poren der benachbarten Schicht oder Schichten gepresst werden. Das erhaltene Substrat ist flexibel und von geringer Porosität.

Das Substrat wird fest über der Oberfläche des Kernes einschliesslich des Plattformteiles angepasst. Dann befestigt man das Substrat durch Punktschweissen an den Stegen des Kernes und bedeckt so den Flügelkern. Die Flexibilität des vielschichtigen flexiblen Netzteilsubstrates sorgt für das notwendige Recken und den festen Sitz.

Auf das Netzteilsubstrat wird die Lötlegierung aufgebracht. Vorzugsweise ist diese Lötlegierung Nicrobraz 30 mit einer Zusammensetzung von 19 Gew.-$ Chrom, 10,2 Gew.-? Silicium und 70,8 Gew.-? Nickel. Eine solche Legierung wird vorzugsweise in Form eines Übertragungsbandes angewandt, das auf die äussere Oberfläche des Substrates aufgebracht wird. Man glüht das Ganze dann in trockenem Wasserstoff bei einer Temperatur von 1200⁰C, wodurch die Poren des Substrates vollkommen gefüllt werden und das Substrat weiter an die Oberfläche des Kernes gebunden wird. Das Löten in trockenem Wasserstoff reinigt von irgendwelchen Oxyden, die sich während des Punktschweissens gebildet haben und fördert das gleichmässige Fliessen der Lötlegierung über die Oberfläche des Substrates.

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Es kann dann eine Erosions/Korrosions-beständige Schicht auf das angelötete Netzteilsubstrat aufgebracht werden. Ein hierfür geeignetes Material ist Nicrocoat 2-Legierung mit einer Zusammensetzung von 4,5 % Silicium, 92,35 % Nickel und 3,15 % andere Bestandteile. Die Legierung wird durch Erhitzen in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 1050⁰C gelötet. Ausserdem können ein oder mehrere Schichten des Legierungsübertragungsbandes auf das anfänglich gelötete Substrat aufgebracht und dann gelötet werden, um die Oberflächendicke zu vergrössern. Weiter können ein oder mehrere zusätzliche Schichten aus Erosions/ Korrosions-beständiger Legierung aufgebracht und an die anfängliche Erosions/Korrosions-beständige Schicht angelötet werden.

Bei einem anderen verbesserten Verfahren zum Herstellen eines flügeiförmigen Körpers gemäss der vorliegenden Erfindung werden die ersten Stufen des oben beschriebenen ersten Verfahrens bis zur Stufe des Lötens der Nicrobraz 30-Legierung an das metallische Netzteilsubstrat angewendet. Die Dicke der Haut wird dann durch Aufbringen einer Schicht aus Metall auf das gelötete Substrat verstärkt. Eine Erosions/Korrosions-beständige Schicht wird dann auf die Metallschicht aufgebracnt. Bei diesem zweiten Verfahren können 0,5 mm Kupfer durch Diffusionsverbindung bei 100O⁰C auf das gelötete Substrat aufgebracht werden, um die Metallschicht zu schaffen. Die äussere Oberfläche der Kupferschicht kann dann mit rostfreiem Stahl 3^7 überzogen werden, der die Erosions/Korrosionsbeständige Schicht bildet und so kann man eine Schichtdicke von etwa 1,25 mm schaffen. Der Flügel wird dann bei 1000⁰C in Wasserstoff geglüht, um die Spannungen zu beseitigen und den rostfreien Stahl mit dem Kupfer zu verbinden. Schliesslich wird der Flügel im erforderlichen Maße durch Schleifen, Absanden oder maschinelles Bearbeiten in die erwünschte Form gebracht. An oder nahe der Spitze des flügeiförmigen Körpers wird eine Auslassöffnung für das Kühlmittel vorgesehen.

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ORfGlNAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

ι 1. !Verfahren zum Herstellen eines flügelförraigen Körpers, dadurch gekennzeichnet , dass man einen Flügelkern mit in die Oberfläche eingelassenen Kühlkanälen herstellt, auf den Kern ein kalandriertes mehrschichtiges flexibles Netzteilsubstrat aufbringt, das Netzteilsubstrat an dem Kern befestigt, Lotlegierung auf das Netzteilsub3trat aufbringt, die ganze Baueinheit lötet und dabei die Netzteilporen vollständig füllt und weiter das Netzteilsubstrat mit dem Kern verbindet und man schliesslich über dem angelöteten Netzteilsubstrat eine Erosions/Korrosions-beständige Schicht anbringt, und damit den flügeiförmigen Körper fertigstellt.
2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch ge-, kennzeichnet , dass mindestens Lotlegierung nachfolgend aufgebracht und an das angelötete Substrat gelötet wird, um die Oberflächendicke zu vergrössern.

\Oder 2 ₃,
3. Verfahren nach Anspruch 1 ί da. durch gekennzeichnet , dass mindestens eine zusätzliche Schicht aus Erosions/Korrosions-beständigem Material auf die erste Erosions/Korrosions-beständige Schicht aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass man eine Metallschicht auf das angelötete Netzteilsubstrat aufbringt, bevor man eine Erosions/ Korrosions-beständige Schicht über der Metallschicht anbringt.

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