DE3108318A1

DE3108318A1 - Aufbau einer antriebswelle aus einem metallverbundkoerper und verfahren zum herstellen derselben

Info

Publication number: DE3108318A1
Application number: DE19813108318
Authority: DE
Inventors: Daniel D. 06033 Glastonburry Conn. Profant; Jeremy J. 06070 Newtown Conn. Walters
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1982-01-21
Also published as: FR2485659A1; GB2078338B; FR2485659B1; JPS5715114A; BR8103330A; GB2078338A; SE8101237L; CA1146372A; IT1137947B; IT8122601A0

Description

Eine anhaltende Entwicklung auf dem Gebiet der Gasturbinen stellt die Entwicklung kleinerer, v/irksamerer Turbinen mit erhöhter spezifischer Leistungdar. Diese Änderungen führen unvermeidlich zu entsprechend höheren Geschwindigkeits- und Belastungswerten der wesentlichen Turbinenbestandteile. In dieser Hinsicht stellt die Turbinenantriebs- oder Leistungswelle ein gutes Beispiel dar, da die Kombination aus erhöhter Rotorgeschwindigkeit und kleinerem Wellendurchmesser zu kritischen Geschwindigkeitsproblemen führt. Eine technische Lösung besteht in der Verringerung der effektiven Wellenlänge durch Vorsehen zusätzlicher Stützlager. Dies bedingt zusätzliche mechanische Schwierigkeiten in der Zielsetzung des Baues einer kleineren Turbine. Eine einfachere und praktischere Lösung dieses Problems ist der Bau von Wellen mit einem hohen Verhältnis von Modul zu Dichte, die zu einer erhöhten spezifischen Steifheit und kritischen Geschwindigkeiten führen.

Es wird eine Verbundkörperwelle geschaffen, die den Torsions- und Biegebelastungen widersteht, welche sich bei einer Antriebswelle kleinen Durchmessers für eine Gasturbine ergeben. Es wird zunächst eine äußere, röhrenförmige Stahlvelle hergestellt. Sodann werden Borfäden sorgfältig zwischen zwei dünnen Aluminiumschichten angeordnet unter Ausbilden eines Aluminiumbandes, das im Inneren längsseitig orientierte Borfäden enthält. Das Bor-Aluminiumband wird auf einen Dorn aus Flußstahl gerollt und in die röhrenförmige Stahlwelle eingeführt, wobei die Fäden achsial ausgerichtet sind. Die Anordnung wird in einen Autoklaven überführt, der zunächst adf einen Druck von 280 - 3 50 kg/cm gebracht und auf 515°C erhitzt wird. Anschließend wird der Druck eine halbe Stunde

lang auf 700 kg/cm erhöht. Dieses Verfahren führt zu einer vollständig verdichteten Verbundwelle, die pine äußere Stahlumkleidung und eine innere Aluminiumhülse aufweist, die durch achsial ausgerichtete Borfäden zwecks Verbessern der Biegesteifheit verstärkt ist.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Endes der hergestellten Welle;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der längsseitigen Ebene durch die Achse.

In den Figuren 1 und 2 ist eine erfindungsgemüße Verbundkörperwelle 1 gezeigt und besteht aus einer röhrenförmigen äußeren Welle 2 aus gehärtetem Stahl einschließlich gehärteter Kerbverzahnung 6, deren innerer Durchmesser mit einer Schicht 3 hohen spezifischen Moduls verbunden ist. Die Schicht 3, wie insbesondere in der Figur

2 gezeigt, besteht aus piner voll verdichteten Aluminiummatrix, in der eine Vielzahl Borfäden 4 allgemein ausgerichtet zu der Achse 5 eingebettet sind.

Die Schicht 3 besteht auseinem Aluminiummatrixband mit einer Dicke von 0,17 mm, wobei im Inneren sandwichartig Borfäden mit einer Dicke von 0,14 mm angeordnet sind. Es kann ebenfalls ein Titanband angewandt werden, jedoch sollten in diesem Falle Siliziumkarbidfäden oder mit Borkarbid Überzogene Dorfäden angewandt werden, um eine Wechselwirkung zwischen dem Titan und dem Bor zu verhindern.

Die Schicht 3 wird auf einen Dorn aus Flußstahl gerollt und wird in die röhrenförmige Stahlwelle 2 eingeführt. Diese Anordnung wird sodann in einen Autoklaven gebracht, in dem der Druck sodann auf einen Zwischenwert von 280 bis 350 kg/cm erhöht wird .Durch Erhöhen der Temperatur auf 515°C wird die Duktilität der Schicht

3 und des Dorns erhöht, wodurch die ersten Arbeitsschritte des Verbindens erleichtert werden. Abschließend wird der Druck sodann auf 700 kg/cn ' erhöht und etwa eine halb? Stunde aufrechterhalten, um so die Verdichtung zum A bfjchluß zu bringen. Anschließend wird derDorn chemisch entfernt.

Die Turbinenwelle 2 kann entweder aus Stahl oder Titan gefertigt sein, um die gewünschten Torsionswerte der Verbundkörperwelle zu erhalten. Eine typische Welle 1 kann eine Stahl- oder Titanumkleidung mit einem Außendurchmesser von25,4 nun und einem Innendurchmesser von 75,9 mm besitzen, wobei eine Bor-Aluminiumschicht 3 mit einer Dicke von 1,8 mm mit den inneren Durchmesser verbunden ist.

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In dieser Weise wird eine· Verbundkörperwelle hergestellt, die einen hohen spezifischen Modul aufweist, der zu einer höheren kritischen Geschwindigkeit führt. Da die äußere Oberfläche aus Stahl besteht, kann dieselbe in der erforderlichen Weise spangebend bearbeitet oder geschweißt werden.

Um das Anwenden eines Autoklaven zu vermeiden, kann die Anordnung aus der Welle und dem Dorn abgedichtet und evakuiert werden. Die Anordnung kann sodann durch den inneren achsialen Kanal im Inneren des Dorns unter Druck gesetzt werden. Durch Unterdrucksetzen bei hoher Temperatur kann das Verdichten und die Diffusion sichergestellt werden, die zu einer Bindung des Bandes und der Bindung des Bandes an die Welle führt.

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Claims

PATFNTANWALT

MANFRED MIEHE ιλι.κι

ΓγΓγ(οι>ι (OJU) 831IV 50

Diplom-Chcinikcr Tviii|romnic· INDUSPROP BERLIN

I rlcx ι OIIIS 44}

L-536-F 9 US/16/2448

AVCO CORPORATION 1275 King Street, Greenwich, Conn. 06830 USA

Aufbau einer Antriebswelle aus einem Metal!verbundkörper und Verfahren zum Herstellen derselben

Patentansprüche

Metallverbundkörper-Welle für eine Gasturbine mit hohem spezi-Lschen Modul, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe aus einer äußeren röhrenförmigen Umkleidung (6) aus einem maschinell bearbeitbaren, hochtorsionsfesten Material und einem inneren, sich achsial erstreckenden Kanal (5) sowie einer inneren Auskleidung (3) besteht, die aus einer Metallmatrix gefertigt ist, die achsial ausgerichtete Fäden aus einem Material hohen Moduls enthält, wobei die Auskleidung (3) vollständig verdichtet und mit dem inneren Durchmesser der röhrenförmigen Umkleidung (6) verbunden ist.
2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmige Umkleidung (6) aus Stahl besteht.
3. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die röhrenförmige Umkleidung (6) aus Titan besteht.
4. Welle nach Anspruch 1, dadurch g e^k ennzeichnet , daß die Metallmatrix aus Aluminium besteht.
5. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallmatrix aus Titan besteht.
6. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Material hohen Moduls Bor ist.

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7. Verfahren zum Herstellen einer Metallverbundkörper-Welle nach den vorangehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Verfahrensschritte:

a) Herstellen einer äußeren röhrenförmigen Umkleidung aus einem maschinell bearbeitbaren, hochtorsionsfesten Material und mit einem inneren, sich achsial erstreckenden Kanal;

b) Herstellen eines Metallmatrixbandes, in dem sich längsseitig erstreckende Fäden mit hohem Modul eingebettet sind;

c) Rollen des Matrixbandes auf einen Dorn, wobei die Fäden hohen Moduls in einer achsialen Richtung orientiert sind;

d) Einführen des Bandes und Dorns in den sich achsial erstreckenden Kanal in enger Berührung mit dem inneren Durchmesser der röhrenförmigen Umkleidung und

e) Unterwerfen der Anordnung einer ausreichenden Temperatur und ausreichendem Druck unter Erzielen einer Verdichtung und Diffusionsbindung des durch die Fäden verstärkten Metallbandes mit der äußeren röhrenförmigen Umkleidung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung durch die Kombination der nachfolgenden Verfahrensschritte erreicht wird:

a) überführen der Anordnung in einen Autoklaven;

b) Erhöhen des Drucks in dem Autoklaven auf einen Mittelwert;

c) Erhöhen der Temperatur in dem Autoklaven auf eine Temperatur, die zu einem Erhöhen der Duktilität des Dorns und der inneren Auskleidung führt und die Bindung fördert sowie

d) weiteres Erhöhen des Drucks in dem Autoklaven unter Fördern der Bindung und d^s Verdichtens, sowie Aufrechterhalten des Drucks bis diese Verfahren zum Abschluß gekommensind.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere röhrenförmige Umkleidung Stahl angewandt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere röhrenförmige Umkleidung Titan angewandt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmatrixband hergestellt wird vermittels einer sandwichartigen Anordnung der längsseitig ausgerichteten Fäden zwischen den zwei Metallbändern.

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12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix aus Aluminium hergestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden hohen Moduls aus Bor hergstellt werden.

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