DE2845716C2 - Thermisch hoch beanspruchbare Verbindung - Google Patents

Thermisch hoch beanspruchbare Verbindung

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur thermisch hoch beanspruchbaren Verbindung zwischen einem aus einem keramischen Werkstoff und einem aus einem metallischen Werkstoff bestehenden rotationssymmetrischen Bauteil, insbesondere einem mit einem Wellenzapfen versehenen keramischen Turbinenrad und einer metallischen Turbinenwelle, durch Hochtemperaturloetung. Die Verbindung der keramischen Turbinenscheiben mit den metallischen Wellen ist wegen der Sproedigkeit der keramischen Werkstoffe und der stark unterschiedlichen Waermeausdehnungskoeffizienten problematisch und aufwendig. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zur Loetverbindung einer metallischen Welle mit einer temperaturbelasteten keramischen Scheibe so zu gestalten, dass diese Probleme weitgehend geloest werden. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass ein einerseits mit dem metallischen Bauteil und andererseits mit dem keramischen Bauteischriebenen Art darin, dass auch sehr schmale metallfreie Stre

Description

mit einer Bohrung versehen werden. Solche mit durchgehenden Bohrungen versehenen Scheiben zeigen jedoch im Betrieb Spannungen, die etwa doppelt so hoch liegen wie bei Scheiben ohne Bohrungen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (DE-OS 28 22 627) einen dem keramischen Bauteil zugehörigen Wellenzapfen mit einem diesen Zapfen umschließenden metallischen Wellenteil direkt zu verlöten. Dabei zeigt sich, daß infolge der großen Unterschiede in der Wärmedehnung der niiteinander zu verbindenden Bauteile beim Abkühlen nach dem Lötprozeß hohe Schrumpfspannungen an den Lötstellen auftreten. Diese Schrumpfspannungen ergeben hohe Druckspannungen in dem keramischen Zapfen, die prinzipiell zwar von der Keramik gut aufgenommer« werden können. Am Obergang von der Lötstelle zum freien Wellenzapfen treten aber Spannungsspitzen mit hohen, von der Keramik nicht gut ertragbaren Zugspannungen auf. Bei Betriebsbedingungen mit zyklischer Temperaturbelastung können diese Druckspannungen durch plastische Deformation abgebaut werden. Bei weiteren thermischen Belastungen werden dann aber an der Verbindungsstelle hohe Zugspannungen entstehen, die bis zum Bruch an der Lötstelle bzw. dem keramischen Wellenzapfen führen können.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Verbindung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die die zuvor beschriebenen Nachteile weitgehend vermeidet und eine einfach herzustellende und sichere thermisch hoch beanspruchbare Verbindung zwischen einem keramischen und einem metallischen Bauteil, vorzugsweise dem Wellenzapfen eines keramischen Turbinenrades und einer metallischen Turbinenwelle, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Verbindung zwischen dem keramischen und dem metallischen Bauteil wird gewährleistet, daß auch bei den während des Lötvorganges auftretenden höchsten Temperaturbelastungen keine unzulässigen Spannungen, insbesondere in dem keramischen Bauteil, auftreten, die zu einer Zerstörung desselben führen könnten.
Zweckmäßigerweise soll das Verbindungsteil als ein einen Wellenzapfen des keramischen Bauteils hülsenförmig umfassendes Teil ausgebildet-i ein und vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Um die nach dem Lötvorgang auftretenden Schrumpfspannungen an der Lötstelle möglichst klein zu halten, sollen zumindesf die das Verbindungsteil mit dem keramischen Bauteil verbindenden Lötstellen eine geringe axia'e Erstreckung aufweisen, die zum Beispiel insgesamt weniger als 20% der gesamten Wellenzapfenlänge beträgt.
In einer Ausführungsform der Erfindung soll das Verbindungsteil einstückig mit dem metallischen Bauteil ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich und vorteilhaft, wenn das Verbindungsteil durch wenigstens ein zwischen dem Wellenzapfen des keramischen Bauteils und einem den Wellenzapfen umgebenden starren Hülsenteil des metallischen Bauteils eingefügtes, beiderseits durch Lötung verbundenes elastisches Federelement gebildet ist. Dieses Federelement kann dabei durch ein über den Wellenzapfen des keramischen Bauteils geschobenes, gewelltes dünnwandiges Rohr gebildet sein. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Federelement ein η in Umfangsrichtung verlaufenden S-förmigen Querschnitt aufweist und mit seinem radial äußeren Schenkel an der Innenkontur des metallischen Hülsefiteiis und mit seinem radial inneren Schenkel an der Außenkontur des keramischen Wellenzapfens angelötet ist Das Federelement kann aber auch einen in Umfangsrichtung verlaufenden rohrförmigen Querschnitt aufweisen. Dabei ist es möglich, sowohl das im Querschnitt rohrförmige als auch das S-förmige Federelement als einen oder mehrere geschlossene Ringe
ίο oder als Spirale auszuführen. Für den Fall der Ausbildung als geschlossene Ringe ist es dabei zweckmäßig, axiale Durchgangslöcher vorzusehen, um einen Druckausgleich des die Lötstellen umgebenden Gases sowohl beim Löten als auch im Betrieb herbeizuführen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in teils schematischer Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert sind. Die Zeichnung zeigt in
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen einer metallischen Welle und einem keramischen Turbinenrad, bei der das Verb.ipdungsteil durch ein mit der metallischen Welle einstückig verbundenes, hülsenförmiges Bauteil gebildet ist und
F i g. 2 bis 6 verschiedene Ausführungen von gesondert vorgesehenen Federelementen, die zwischen dem keramischen Wellenzapfen und einem mit der metallischen Weile verbundenen starren Hülsenteil eingelötet sind.
In der F i g. 1 ist mit 1 das aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, hergestellte Turbinenrad und mit 2 eine metallische Turbinenwelle bezeichnet. 3 stellt die hier in radiale Bauweise ausgeführte Beschaufelung des beispielsweise für einen Abgasturbolader bestimmten Turbinenrades 1 dar, die zusammen mit einem Nebenkörper 4 und einem an dessen Stirnseite angebrachten Wellenzapfen 5 einstückig nach" an sich bekannten Herstellungsverfahren, beispielsweise durch Druckguß oder Schlickerguß, sowie durch anschließendes Brennen und Sintern beziehungsweise Nitrieren einstückig aus dem keramischen Werkstoff hergestellt ist.
6 bezeichnet ein über den Wellenzapfen 5 des keramischen Nabenkörpers 4 geschobenes Hülsenteil, das mit der metallischen Welle 2 einstückig oder durch an sich bekannte Verbindungsverfahren, wie Schweißen oder dergleichen, verbunden ist. Dieses Hülsenteil 6 ha·, eine im wesentlichen wellenförmige Kontur mit radial nach innen sowie radial nach außen ragenden Bereichen 7 und 8, von denen die radial nach innen ragenden Bereiehe 7 durch eine Lötung 9 mit dem keramischen Wellenzapfen 5 verbunden sind. Durch die relativ dünnwandigen, gewellten Querschnitte der Hülse ergibt sich eine hohe Elastizität, die so groß sein soll, daß die beim Löten durch Differenzdehnung der Bauteile auftretenden Kräfte zwischen dem metallischen und dem keramischen Bauteil im wesentlichen durch elastische Deformation aufgenommen werden. Wenn dies aber der Fall ist, dann können weder beim Löten noch während des Betriebs der Turbine schädliche Zugspannungen auf das keramische Bauteil übertragen werden.
Die Ausführungen nach den F i g. 2 bis 6, in denen die Verbindungsstelle in vergrößertem Maßstab dargestellt ist, unterscheiden sich von der Ausführung nach F i g. 1 dadurch, daß anstelle eines mit der Turbinenwelle von vornherein verbundenen Verbindungsteils separate und sowohl mit dem metallischen Wellenteil als auch mit dem keramischen Wellenzapfen durch Lötung verbindbare Federelemente vorgesehen sind, die die beim Lö-
ten durch Differenzdehnung auftretenden Kräfte aufnehmen soilen.
So zeigt die F i g. 2 ein Federelement in Form eines gewellten, dünnwandigen Rohres 10, das mit seiner radial inneren Kontur durch Lötstellen 12 mit dem keramischen Wellenzapfen 3 und an seinen radial äußeren Konturen durch Lötstellen 13 mit der Innenkontur einer mit der metallischen Welle 2 einstückig verbundenen starren Hülse 11 verbunden sind. Im mittleren Bereich der Wellenkontur sind jeweils Durchbrüche 14 vorgesehen. die als Entlüftungslöcher für die beim Löten entstehenden Gase vorgesehen sind.
In den Fi g. 3 und 4 weisen die Federelemente S-förmige Querschnitte auf, wobei bei der Ausführung nach der F i g. 3 entweder mehrere Einzelringe oder aber ein is spiralförmig aufgewickeltes Federband mit dem S-förmigen Querschnitt 15 vorgesehen ist. In beiden Fällen sind die radial äußeren Schenkel des S-förmigen Querschnitts an der Innenkontur des Hülsenteils 11 der metallischen Welle 2 durch eine Lötung 17 und der radial innere Schenkel durch eine Lötung 16 an dem Wellenzapfen 5 des keramischen Turbinenrades 4 befestigt. Der mittlere Teil dieses Querschnitts 15 weist wiederum Durchgangslöcher 18 zum Druckausgleich und zur Belüftung der zwischen den einzelnen Querschnitten eingeschlossenen Räume auf.
Bei der Ausführung nach der Fig.4 besteht das Federelement aus einem einzigen im Querschnitt S-förmigen Ring 20, der wiederum mit seinem radial inneren Rand durch eine Lötung 21 mit dem keramischen Bauteil 4,5 und mit seinem radial äußeren Rand durch eine Lötung 22 mit dem metallischen Bauteil 2,11 verbunden ist. Auch hier sind in dem mittleren Bereich des Ringquerschnittes Durchgangslöcher 23 vorgesehen.
Schließlich ist in der F i g. 5 noch eine Ausführung der Erfindung dargestellt, bei dem das. beziehungsweise die Federelemente durch ein rohrförmiges Element 25 gebildet ist, das an seinem Außenmantel Durchgangslöcher 28 aufweist und das an dem radial inneren Rand durch eine Hartlötung 26 mit dem Wellenzapfen 5 des keramischen Turbinenrades 4 und an seinem radial äußeren Rand durch eine Lötung 27 mit dem Hülsenteil 11 der metallischen Turbinenwelle 2 verbunden ist. Auch hier kann ähnlich wie bei der Ausführung nach der F i g. 3 das Federelement aus einzelnen Ringen oder einem spiralförmig über den Wellenzapfen 5 aufgewickelten Element bestehen, wobei im letzteren Fall Vorteile hinsichtlich einer größeren Herstellungstoleranz des keramischen, bzw. des metallischen Bauteils möglich sind.
Eine weitere Ausführungsform der Federelemente ist in der F i g. 6 dargestellt, bei der zungenartige im wesentlichen axial gerichtete Lappen 31 eines am keramischen Zapfen durch eine Lötung 32 befestigten Hülsenteil 30 mit der metallischen Hülse 11 ebenfalls durch eine Lötung 33 verbunden sind.
in allen Fällen soll die Elastizität der Federelemente so bemessen sein, daß die bei den höchsten Temperaturbelastungen, beispielsweise also beim Löten, durch Differenzdehnung der Bauteile entstehenden Kräfte im wesentlichen durch elastische Deformation der Federelemente aufgenommen werden und keine unzulässigen Zugspannungen, insbesondere auf das keramische Bauteil, ausgeübt werden. Ein weiterer Vorteil der von der Erfindung vorgeschlagenen Ausführung besteht darin, daß an dem keramischen Wellenzapfen 5 des Turbinenrades keine mechanische Bearbeitung mit hoher Fertigungsgenauigkeit vorgenommen zu werden braucht, da etwa vorhandene Fertigungstoleranzen weitgehend durch den Löispalt aufgenommen werden kennen und im übrigen die Fedcrelemcnte entsprechend angepaßt werden können. Auch etwa vorhandene Unriindheiten an dem keramischen Bauteil könnten dadurch beseitigt werden, daß zunächst das oder die Federelemente auf dem Wellenzapfen durch Lötung befestigt werden und anschließend deren Außendurchmesser mechanisch bearbeitet wird. Die Federelemente, die dne freie Gestaltung der Außenkontur der mit der Welle 2 verbundenen Hülse 11 z. B. für Dichtungszwecke ermöglichen, sollten, um axiale Schrumpfspannungen in den Lötstellen möglichst klein zu halten, zweckmäßigerweise auf weniger als 20% der gesamten Länge des Wellenzapfens mit diesem verbunden sein.
Bei der Gestaltung der Verbindung kann der Wellenzapfen auch konisch ausgeführt sein. Dadurch erreicht man eine günstigere Spannungsverteilung am Übergang des Wellenzapfens zur Radnabe.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

12. Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Federe'emente spiralförmig um den Wellenzapfen (5) verlaufen. 13. Verbindung nach Anspruch .6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als im wesentlichen axial verlaufende, zungenförmige und mit einem der Bauteile fest verbundene Lappen (31) einer mit dem anderen Bauteil fest verbundenen Hülse (30) ausgebildet sind Patentansprüche:
1. Thermisch hoch beanspruchbare Verbindung eines aus einem keramischen Werkstoff und eines 5 aus einem metallischen Werkstoff bestehenden rotationssymmetrischen Bauteils, insbesondere eines mit einem Wellenzapfen versehenen keramischen Turbinenrads und einer metallischen Turbinenwelle, die durch Hochtemperaturlötung miteinander verbun- 10
den sind, gekennzeichnet durch ein einer-
seits mit dem metallischen Bauteil (2) und andererseits mit dem keramischen Bauteil (4) fest verbundenes, radial und axial federnd elastisches Verbin- Die Erfindung bezieht sich auf eine thermisch hoch dungsteil (6; 10; 15; 20; 25), dessen Elastizität so 15 beanspruchbare Verbindung eines aus einem keramibemessen ist, daß die beim Löten durch Differenz- sehen Werkstoff und eines aus einem metallischen dehnung der Bauteile entstehenden Kräfte im we- Werkstoff bestehenden rotationssymmetrischen Bausentlichen durch elastische Deformation des Verbin- teils, insbesondere eines mit einem Wellenzapfen versedungsteils aufgenommen werden. henen keramischen Turbinenrades und einer metalli-
2. Verbinders nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 sehen Turbinenwelle, die durch Hochtemperaturlötung zeichnet, daß das Verbindungsteil (6; 10; 15; 20; 25) miteinander verbunden sind.
als ein den Wellenzapfen (5) des keramischen Bau- Bei temperaturbelasteten Rotoren, wie zum Beispiel
teils (4) hülsenförmig umfassendes Teil ausgebildet bei Läufern von Gasturbinen oder Turboladern, ist be-
'st· reits vorgeschlagen worden, die Turbinenscheiben, bzw.
3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 25 die Turbinenräder, aus keramischen Werkstoffen wie gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil aus einem Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid zu fertigen. Diese kemetallischen Werkstoff besteht. ramischen Bauteile ergeben wesentliche Vorteile durch
4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Erhöhung der Temperaturfestigkeit und durch Verrindadurch gekennzeichnet, daß zumindest die das Ver- gerung des Massenträgheitsmomentes. Für die Herstelbindungsteil mit dem keramischen Bauteil verbin- 30 lung der Laufzeuge u»d eine günstige Integration in die denden Lötstellen eine geringe axiale Erstreckung Aggregate ist es dabei vorteilhaft, die zugehörigen WeI-aufweisen. len aus metallischen Werkstoffen auszuführen. Die Ver-
5. Verbindung nach einen der Ansprüche 1 bis 4, bindung der keramischen Turbinenscheiben mit den dadurch gekennzeichnet, daß da& Yerbindungsteil metallischen Wellen ist jedoch wegen der Sprödigkeit (6) einstückig mit dem metallischen Bauteil (2) aus- 35 der keramischen Werkstoffe und der stark unterschiedgebildet ist. liehen Wärmeausdehnungskoeffizienten problematisch
6. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und aufwendig.
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil Aus der DE-AS 12 69 422 ist eine ein Drehmoment
durch wenigstens ein zwischen dem Wellenzapfen übertragende Verbindung zwischen zwei koaxialen (5) des keramischen Bauteils (4) und einem den WeI- 40 Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffilenzapfen umgebenden Hülsenteil (11) des metaili- zienten bekannt, bei der in einem zwischen den beiden sehen Bauteils (2) eingefügtes, beiderseits durch Lö- Bauteilen vorgesehenen Ringspalt ein aus einem gewelltung verbundenes elastisches Federelement (10; 15; ten Band bestehendes Ringfedereiement eingelegt ist, 20; 25) gebildet ist. dessen Wellungen gegenüber der radialen Richtung ge-
7. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- 45 neigt sind. Diese Ausbildung soll es ermöglichen, auch zeichnet, daß das Federelement durch Wellenzapfen durch höhere Temperaturen verursachte Wärmedeh-(5) des keramischen Bauteils (4) geschobenes, ge- nungen zwischen den Bauteilen aufnehmen zu können, welkes, dünnwandiges Rohr (10) gebildet ist. Da jedoch die Drehmomentübertragung hier nur auf-
8. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- grund des Reibschlusses an den Berührungsstellen zwizeichnet, daß das Federelement (15; 20) einen in Um- 50 sehen dem Ringfedereiement einerseits und den beiden fangsrichtung verlaufenden S-förmigen Querschnitt Bauteilen andererseits erfolgt, ist die Höhe des überaufweist und mit seinem radial äußeren Schenkel an tragbaren Drehmoments auf verhältnismäßig niedrige der Innenkontur des metallischen Hülsenteils (11) Werte begrenzt, so daß eine Anwendung dieses Prinzips und mit seinem radial inneren Schenkel an der Au- bei Verbindungen von keramischen Turbinenrädern mit ßenkontur des keramischen Wellenzapfens (5) ange- 55 metallischen Turbinenwellen nicht möglich erscheint, lötet ist. Für diesen Anwendungszweck sind Anordnungen bekannt, bei denen die Turbinenscheiben mittels Spannbolzen durch eine zentrale Bohrung der Scheibe mit der Welle verbunden werden. Die stirnseitige Anlagefläche
60 der Scheibe an der Welle wird dabei zumeist in Form einer Kerbverzahnung (Hirth-Verzahnung) ausgeführt. Die Anlageflächen zwischen Keramik und Metall erfordern jedoch einen hohen Fertigungsaufwand, da Punktlasten vermieden werden müssen. Der Zugbolzen muß 11. Verbindung nach Anspruch 10, dadurch ge- 65 zudem in aufwendiger Weise so gestaltet sein, daß er kennzeichnet, daß der Ring (15; 20; 25) über den unterschiedliche Wärmedehnungen von Scheibe und Umfang verteilte axiale Durchgangslöcher (18; 23; Welle ausgleicht. Weiterhin muß bei der genannten Ver-28) aufweisen. bindungsart die festigkeitsmäßig hoch belastete Scheibe
9. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (25) einen in Umfangsrichtung verlaufenden, rohrförmigen Querschnittaufweist.
10. Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (15; 20; 25) durch wenigstens einen geschlossenen Ring gebildet ist.
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