DE2830358C2

DE2830358C2 - Verdichterlaufrad, insbesondere Radialverdichterlaufrad für Strömungsmaschinen

Info

Publication number: DE2830358C2
Application number: DE2830358A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8060 Dachau Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1978-07-11
Publication date: 1984-05-17
Also published as: FR2431050A1; GB2024959A; GB2024959B; US4273512A; JPS5512300A; DE2830358A1; FR2431050B3

Abstract

Die Abtrennung des Strukturgraphits vom Kernbrennstoff der Brennelemente gasgekühlter Hochtemperaturreaktoren erfolgt gemäß der Erfindung durch Behandlung der Brennelemente in sauerstoffhaltigem Gas bei Temperaturen unter 600 ° C bis zur Auflockerung des Kohlenstoff- bzw. Graphitgefüges zu einer mechanisch abtrennbaren Substanz, wobei vorzugsweise während der Behandlung durch gleichzeitig einwirkende mechanische Kräfte für eine kontinuierliche Beseitigung der am stärksten angegriffenen äußeren Schichten und Abtransport des Abriebs in kältere Temperaturzonen gesorgt wird, indem die Brennelemente während der Behandlung, beispielsweise auf einem Schwingsieb, bewegt oder durch Bürsten behandelt werden. Eine Vorimprägnierung mit einer die Verbrennung katalysierenden Substanz ist vorteilhaft.

Description

Es lassen sich somit normalerweise durch Schweißen oder Löten nicht stoffschlüssig fügbare unterschiedliche metallische Werkstoffe für den laufradseitigen Bereich einerseits und für den radscheibenseitigen Bereich andererseits einwandfrei miteinander verbinden im Einklang mit einer auf die betrieblichen Kriterien abstimmbaren unterschiedlichen Bauteilbereichsauslegung, insbesondere hinsichtlich unterschiedlicher Temperatur- und Fertigkeitsbeanspruchungen.

Der üblichei-weise den Hauptanteil des Massenträgheitsmoments verursachende und damit erwünscht rasche Hochfahrzeiten des Verdichters beeinträchtigende äußere schaufelradseiiige Bereich des Verdichters (Schaufeln/Nabenschale) kann somit vergleichsweise leicht sowie temperatur- bzw. hochtemperaturfest gestaltet werden. Letzterem kommt besondere Bedeutung bei kombinierten Axial-Radialverdichtern mit radialer Endstufe zu.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann somit ein erfindungsgemäßes Verdichterlaufrad im schaufelseitigen Bereich (nebst diese tragende Schale als Integrakeil) aus Titan bzw. einer temperaturbeständigen Legierung mit niedriger Dichte, also einer Titanlegierung, im die Tragfunktion übernehmenden scheibenartigen Bereich aus einem hochfesten Werkstoff, also aus Stahl bzw. einer Stahllegierung, z. B. einer martensitaushärtenden Stahllegierung, gefertigt sein.

Der Einsatz des Sprengschweißens zwischen Stahl und Titanlegierungen ist z. B. aus dem chemischen Apparatebau bekannt, wo mit diesem Verfahren einwandfreie flächige Verbindungen zwischen relativ dünnen Titanplatten und Stahlteilen hergestellt werden. Desgleichen wurde das Sprengschweißen in der DE-PS 25 10 286 genannt.

Die aus den verschiedenen Versuchen der innigen Verbindung von Stahl- und Titanteilen durch Löten, Diffusions-, Reib- oder Elektronenstrahlschweißen bekannten extrem spröden Zonen im Nahtbereich treten wegen der extrem kurzen Zeit, in der der Schweißvorgang abläuft, nicht auf.

Im Rahmen der Erfindung soll die Herstellung der Sprengschweißverbindung zeitlich von der spanenden Endbearbeitung der die Schaufeln tragenden Schale, die ihrerseits zerspanend aus dem Vollen, gegossen oder pulvermetallurgisch gefertigt sein kann, erfolgen. Etwaige durch die Sprengschweißung verursachte Ungenauigkeiten konnten im Zuge der spanenden Arbeiten zur Vorbereitung der Verbindungsstellen zwischen dem Zwischenring und den die Tragfunktion übernehmenden scheibenartigen Teilen beseitigt werden. Gegebenenfalls kann diese Korrektur auch im Zuge der Endbearbeitung des Rads erfolgen, bei der insbesondere die Radrückwünd im äußeren Durchmesserbereich bis an die von der Deformation und/oder der Fertigung gegebenen Grenzwandstärke mechanisch oder elektrochemisch abgearbeitet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Verdichterlaufrad zum Zwecke eines weiter verringerten Massenträgheitsmoments im schaufelseitigen Bereich aus einer temperaturbeständigen Titanlegierung, im die Tragfunktion übernehmenden radscheibenseitigen Bereich aus einer hochfesten Titanlegierung gefertigt sein.

Erfindungsgemäß können hierzu als stählerne Verbindung zwischen den beiden Bauteilbereichen zwei untereinander verlötete oder verschweißte Zwischenringe vorgesehen sein, von denen der eine durch Sprengschweißung mit dem scL.'.ufelseitigen Bereich, der andere durch Sprengschweißung mit dem radscheibenseitigen Bereich des Laufrads verbunden sein soll.

Im Interesse einer möglichen Nachbarbeitung etwaiger durch die Sprengschweißvorgänge verursachter Ungenauigkeiten kann im Rahmen weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch hier die Herstellung der Sprengschweißverbindungen der Zwischenringe zeitlich vor Herstellung deren gegenseitiger Schweiß- oder Lötverbindung vorgenommen werden,
ίο Zweck der stählernen Zwischenringe zwischen den beiden aus unterschiedlichen Titanlegierungen gefertigten Bauteilbereichen ist es, im Falle des Verschweißens die unvermeidbaren spröden Bereiche zu vermeiden. Im Falle des Lötens werden die mit der hohen Oxydationsbereitschaft des Titans zusammenhängenden Schwierigkeiten eliminiert und gleichzeitig durch eine entsprechende Lot- und Löttemperaturwahl die Probleme der unterschiedlichen Wärmebehandlung bei der Aushärtung des aus verschiedenen Titanlegierungen aufgebauten fertigen Bauteils erleichtert.

Anhand der Zeichnung ist eine A ;'-.f ührungsform der Erfindung beispielsweise erläutert; et zeigt

F i g. 1 einen als Mittellängsschnitt dargestellten Radialverdichterlaufradabschnitt in einer ersten Ausführungsform und

F i g. 2 einen als Mitiellängsschnitt dargestellten Radialverdichterlaufradabschnitt in einer zweiten Ausführungsform.

Das Radialverdichterlaufrad nach F i g. 1 weist eine die Radialverdichterlaufradschaufeln 1 tragende Schale 2 auf, die als Integralteil aus einer geeigneten, temperaturbeständigen Legierung mit niedriger Dichte, z. B. einer Titanlegierung, gefertigt sein soll. Einschließlich der Radialverdichterlaufschaufeln 1 kann diese Schale 2 weiter entweder als Gußteil oder zerspanend aus dem Vollen oder pulvermetallurgisch gefertigt sein.

An zwei axial sowie radial untereinander beabstandeten Stellen 3 und 4 ist die Schale 2 über stählerne Verbindungen mit radscheibenseitigen Abschritten 5 und 6 verbunden. Die Abschnitte 5, 6 weisen axial vorspringende, koaxial zur Laufradachse 7 verlaufende Ringpartie:. 8,9 sowie 10,11 auf. Die beiden radscheibenseitigen Abschnitte 5, 6 sind an der Stelle 12 — zwischen den beiden Ringpartien 8,11 — miteinander verschweißt.
Mit 13 ist in Fig. 1 ein stählerner Zwischenring bezeichnet, der vorzugsweise zunächst durch Sprengschweißung mit der Schale 2 verbunden wird (Sprengschweißnaht 14).

Nach erfolgter Beseitigung etwaiger durch den Sprengschweißvorgang verursachter Ungenauigkeiten sowie gegebenenfalls nach erfolgter Fertigbearbeitung der die Radialverdichterschaufeln 1 tragenden Schale 2 wird diese mit den radscheibenseitigen Abschnitten 5,6 verschweißt oder verlötet, wobei die Löt- bzw. Schweißnaht zwischen dem stählernen Zwischenring 13 und der entsprechend zugeordneten Radscheibenpartie des Abschnitts 5 mit 15 bezeichnet ist. Die Verbindung der Schale 2 mit dem radscheibenseitigen Abschnitt 6 an der Stelle 4 erfolgt in der gleichen Weise und Reihenfolge wie ander erwLnnten Stelle 3.

Die radscheibenseitigen Abschnitte 5,6 sind aus einer hochfesten Stahllegierung gefertigt. Die verhältnismäßig dünnwandige Schale 2 kann im übrigen mit zusätzlichen Versteifungsrippen 16 versehen sein.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gegenüber F i g. 1 zeichnerisch im wesentlichen unveränderte Bauteile weicht Fig. 2 von Fig. 1 hauptsächlich dadurch ab, daß als stählerne Verbindungen an den Stel-

len 17 und 18 jeweils zwei stählerne Zwischenringe, z. B. 19 und 20, Stelle 18, vorgesehen sind.

Vorzugsweise werden bei der Herstellung der Schaufel-Scheibenverbindung zuerst die Sprengschweißvorgänge vorgenommen, d. h. der Zwischenring 19 wird zuerst mit der Schale 2 durch Sprengschweißung verbunden (Sprengschweißnaht 21), während andererseits der Zwischenring 20 zuerst durch Sprengschweißung mit dem jeweiligen radscheibenseitigen Abschnitt 5 bzw. 6 verbunden wird (Sprengschweißnaht 22).

Vorzugsweise erst nach dem Fertigbearbeiten der Schale 2, bzw. erst nach Beseitigung etwaiger durch den Sprengschweißvorgang hervorgerufener Ungenauigkeiten, wird dann die Schale 2 mit den radscheibenseitigen Abschnitten 5 bzw. 6 verlötet oder verschweißt. Die jeweilige Lot- oder Schweißnaht hierzu zwischen den beiden Zwischenringen 19, 20 ist in Fig. 2 mit 23 bezeichnet.

Gemäß der stählernen Verbindung an der Stelle 18 ist auch die stählerne Verbindung an der Stelle 17 in der zuvor erörterten Weise ausgeführt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist bevorzugt für eine Schaufel-Scheibenverbindung geeignet, bei der die Hauptbaugruppen des Laufrads, also die Schale 2 nebst Radialverdichterlaufschaufeln 1 einerseits sowie die radscheibenseitigen Abschnitte 5 bzw. 6 andererseits aus unterschiedlichen Titanlegierungen gefertigt sind, und zwar aus einer geeigneten temperaturbeständigen Titanlegierung für die Schale 2 nebst Radialverdichterlaufschaufeln 1 einerseits sowie einer hochfesten Titanlegierung für die die Tragfunktion übernehmenden radialscheibenseitigen Abschnitte 5 bzw. 6 andererseits.

Die Zwischenringe 13 bzw. 19, 20 nach F i g. 1 bzw. 2 können aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt sein.

Wie aus den Zeichnungen weiter ersichtlich ist, sind die Zwischenringe 13 bzw. 19, 20 unter einem verhältnismäßig stellen bzw. unter einem stumpfen Winkel zur Laufradachse 7 geneigt angeordnet, wodurch sich verhältnismäßig große Schweiß- bzw, Lötflächen im Interesse einer verhältnismäßig hohen Festigkeit der jeweiligen Schaufel-Scheibenverbindungen ergeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verdichterlaufrad, insbesondere Radialverdichterlaufrad für Strömungsmaschinen, welches schaufelseitig aus einem temperaturbeständigen metallischen Werkstoff, radscheibenseitig aus einem hochfesten metallischen Werkstoff gefertigt ist, wobei zwischen dem schaufelseitigen und dem radscheibenseitigen Bereich eine koaxiale stählerne Verbindung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als stählerne Verbindung ein durch Sprengschweißung auf der einen Seite mit dem schaufelseitigen Bereich und durch Löten oder Verschweißen auf der anderen Seite mit dem radscheibenseitigen Bereich verbundener stählerner Zwischenring (13) vorgesehen ist

2. Verdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stählerne Verbindung zwei untereinander verlötete oder verschweißte Zwischenringe (19, 20) vorgesehen sind, von denen der eine (19) durch Sprengschweißung mit dem schaufelseitigen Bereich, der andere (20) durch Sprengschweißung mit dem radscheibenseitigen Bereich des Laufrades verbunden ist

3. Verdichterlauf rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im schaufeiseitigen Bereich aus Titan bzw. einer Titanlegierung, im die Tragfunktion übernehmenden radscheibenseitigen Bereich aus Stahl bzw. einer Stahllegierung, z. B. aus einer martensitaushärtenden Stahllegierung, gefertigt ist

4. Verdichtenaufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es imffchaufeheitigen Bereich aus einer temperaturbeständigen Titanlegierung, im die Tragfunktion übernehmenden r 'ischeibenseitigen Bereich aus einer hochfesten Titanlegierung gefertigt ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Verdichterlaufrades nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Sprengschweißverbindungen der Zwischenringe (13) bzw. (19, 20) zeitlich vor der Herstellung der übrigen Lot- oder Schweißverbindungen erfolgt.

6. Verdichterlaufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Sprengschweißvorgang zunächst eine Endbearbeitung der jeweiligen schaufelseitigen und radscheibenseitigen Laufradpartien durchgeführt wird und erst hiernach die genannten Lot- und Schweißvorgänge zur endgültigen Verbindung der jeweiligen schaufelseitigen Laufradpartien mit den radscheibenseitigen Laufradpartien durchgeführt werden.

7. Radialverdichterlaufrad nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der laufradseitige Bereich als Integralteil hergestellt ist und im wesentlichen aus einer die Radialverdichterschaufeln (1) tragenden Schale (2) besteht, wobei die die Zwischenringe (13) bzw. (19,20) enthaltenden stählernen Verbindungen an mindestens zwei axial sowie radial untereinander beabstandeten Stellen vorgesehen sind, denen jeweils radial fluchtende Radscheibenabschnitte (5,6) zugeordnet sind.

8. Verdichterlaufrad nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenringe aus Ringsegmenten aufgebaut sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verdichterlaufrad, insbesondere Radialverdichterlaufrad für Strömungsmaschinen, welches schaufelseitig aus einem temperaturbeständigen metallischen Werkstoff, radscheibenseitig aus einem hochfesten metallischen Werkstoff gefertigt ist, wobei zwischen dem schaufelseitigen und dem radscheibenseitigen Bereich eine koaxiale stählerne Verbindung vorgesehen ist

Gasturbinentriebwerke kleiner Leistung, d. h. sowohl

ίο Wellentriebwerke als auch Strahltriebwerke, werden meistens mit Radial- oder kombinierten Axial-Radialverdichtern ausgerüstet Während derartige Triebwerke bezüglich ihrer spezifischen Brennstoffverbräuche und ihrer spezifischen Leistungen mitunter sehr attraktfve Werte ausweisen, ist ihr Beschleunigungsverhalten bei schroffen Lastwechseln oft unbefriedigend. Die Ursache hierfür liegt in der Tatsache, daß das polare Massenträgheitsmoment des Rotors konzeptionsbedingt höher als bei Gasturbinentriebwerken mit einem reinen Axialverdichter ist, wobei der Radialverdichter üblicherweise den größten Einzelanteil aufweist

Verschiedene Vorschläge zur Reduzierung des polaren Massenträgheitsmoments von Radialverdichterlaufrädern gehen davon aus, das monolithische Rad in einzelne Verbände aufzulösen, wobei z. B. die die Beschaufelung tragende Schale selbsttragend ist und nur über elastische und/oder fprmschlüssige Elemente mit dem Nabenbereich in Verbindung steht Wie bekannt, ist diese Bauweise nur beschränkt für höhere Drehzahlen und Temperaturen geeignet (DE-PS 7 12 910, US-PS 26 13 609).

Ferner sind Lösungen vorgeschlagen worden, bei denen das monolithische Laufrad in Schaufein, schaufeltragende Schale und Radialkräfte aufnehmende Scheiben aufgelöst ist, wobei diese einzelnen Teile nach ihrer Funktion optimal gestaltet und anschließend miteinander verlötet sein sollten. Wegen der gegebenen Löteigenschaften der in Frage kommenden Werkstoffe ergibt sich hierdurch zwangsläufig, aiie Radeinzelteile aus hochfesten Stählen, also gleichartigen Werkstoffen herstellen zu müssen. Das heißt aber, daß die äußeren, festigkeitsmäßig weniger belasteten Zonen, die jedoch den Hauptanteil des Massenträgheitsmoments eines Radialverdichterrads verursachen, ebenfalls aus Stahl zu fertigen wären, während Werkstoffe mit geringerer Dichte, z. B. Titan, dort die erforderliche Funktion voll übernehmen könnten (DE-PS 7 55198, US-PS 28 07 871).

Im Rahmen des vorstehend umrissenen Problemkreises liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Laufrad unter Verwendung ungleichartiger Werkstoffe für den schaufelseitigen und den radscheibenseitigen Bereich, die untereinander nicht lötbar und/oder mit konventionellen Methoden nicht schweißbar sind, masse- und trägheitsmomentarm ausbilden zu können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht in einem Verdichterlaufrad nach der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß als stählerne Verbindung ein durch Sprengschweißung auf der einen Seite mit dem schaufelseitigen Bereich und durch Löten oder Verschweißen auf der anderen Seite mit dem radscheibenseitigen Bereich verbundener stählerner Zwischenring vorgesehen ist.

Die genannte Verschweißung des stählernen Zwischenringes mit dem radscheibenseitigen Bereich knnn gegebenenfalls durch eine Schmelz- oder Reibschwei-Bung in die Wege geleitet werden.