DE3133158C1 - Pressflaechen-Zwischenlage aus Metall und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zwischenlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zwischenlage.

Die Problematik im Zusammenhang mit der Erfindung wird im folgenden bei der in diesem Oberbegriff bevorzugt angegebenen Axiallaufschaufelbefestigung so dargelegt, ist jedoch auch allgemein vorhanden, wenn zumindest einer der beiden Preßflächenträger wenigstens im Preßflächenbereich, aus keramischem Werkstoff besteht.

Bei hohen Temperaturen des Fluids im beschaufelten Strömungskanal wünscht man sich oft die Laufschaufeln, einschließlich ihrer Füße, oder zusätzlich die Läuferscheibe aus keramischem Werkstoff. Eines der Hauptprobleme liegt dabei in der Verbindung der Keramikschaufel, d.h. ihres also auch keramischen Fußes, mit der Läuferscheibe, d. h. also in der Schaufelbefestigung.

Die Arten der genannten Nut sind bekannt, d. h. die Nut verläuft in ihrer Längsrichtung im allgemeinen entweder als Einzelnut für einen Fuß parallel zur Läuferachse oder schräg wie bei einem Schrägzahnstirnrad oder koaxial als Ringnut für sämtliche Schaufeln bzw. Füße des Schaufelkranzes. Wegen des keramischen Werkstoffs ist der Fuß in einem zur Nutlängs- und Fußeinschiebrichtung senkrechten Schnitt meist schwalbenschwanz- oder tannenzapfenförmig in der Art, daß die im allgemeinen ebenen tragenden Flächen des Fußes und der Nut, die in diesem Schnitt die gleiche Form hat wie der Fuß und in die dieser eingeschoben ist, unter einem spitzen Winkel zu der in jener Richtung verlaufenden, läuferradialen Fuß-Mittelebene liegen. Dieser Flankenwinkel beträgt im allgemeinen 30° bis 75°. Dadurch sind übrigens die Flächen beim Wirken der Zentrifugalkräfte der Laufschaufel schräg gepreßt.

Im Fußbereich treten die höchsten mechanischen Belastungen der Laufschaufel im Betrieb durch die die Pressung der Flächen hervorgerufende Fliehkraft der Laufschaufel auf, so daß die Belastbarkeit sogar hochfester Keramiken, wie z. B. von heißgepreßtem Siliziumnitrid (S13N4), weitgehend ausgenutzt wird bzw. teilweise nicht ausreicht.

Eine Hauptschwierigkeit liegt darin, daß die spröde, nicht plastisch verformbare Keramischaufel, d. h. ihr Fuß bzw. dessen tragende Flächen, längs der Nut an deren tragenden Flächen nicht gleichförmig aufliegt, was durch unvermeidliche Fertigungsungenauigkeiten bedingt ist. Dies führt häufig zu örtlichen Spannungsüberhöhungen, was die Bruchdrehzahl oder zulässige Fliehkraftbelastung der Schaufel verkleinert.

Eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu vermindern, besteht darin, zwischen die Flächen eine Folie aus Metall einzulegen. Diese Folie gleicht, indem sie plastisch verformt wird, die genannten Fertigungsungenauigkeiten teilweise aus und sorgt für eine einigermaßen gleichmäßige Krafteinteilung, so daß sich für die Schaufel eine höhere Bruchdrehzahl und eine größere Lebensdauer erreichen lassen.

Zusätzlich verringert die Folie die Reibung zwischen dem Fuß und der Nut, so daß sich die Gefahr verringert, daß die Schaufel bzw. ihr Fuß durch Temperaturwechsel in der Nut verklemmt wird und zusätzliche Belastung erfährt. Zur Erklärung dazu folgendes: Die Läuferscheibe wird im Betrieb heiß, wodurch sich die Nut verbreitert und die Schaufel radial nach außen wandert, und beim Abkühlen geht die Schaufel, wenn die Folie nicht vorgesehen ist, wegen der Reibung nicht zurück, und die Nutbreite verkleinert sich und übt auf die Schaufel bzw. ihren Fuß zusätzliche Spannung aus.

Nachteilig ist bei der Folie folgendes: Es werden, weil die Folie sich durch plastische Verformungen nur teilweise anpaßt, durch Fertigungsungenauigkeiten hervorgerufene Spannungsspitzen im keramischen Fuß oder zusätzlich in der keramischen Läuferscheibe nur teilweise abgebaut. Ferner ist die Montage der Schaufel bzw. ihres Fußes und der Folie schwierig, wenn diese Teile klein sind. Des weiteren besteht die Gefahr, daß die Folie vor dem Betrieb oder während des Betriebs der Turbomaschine verrutscht.

Die Aufgabe gemäß der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu vermindern bzw. zu beseitigen und wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße ein- oder beidseitige Belag baut die genannten Spannungsspitzen besser ab, weil dieser Belag durch das Pressen seitens der Preßflächen leichter verformbar ist als die Folie. Ferner ist der Belag mit wenig Mühe herstellbar und haftet fest an der Preßfläche. Es gibt bei kleiner Schaufel bzw. kleinem Fuß keine Montageschwierigkeiten und kein Verrutschen der Folie mehr.

Zur Herstellung des Belags wird die bei der Erfindung genannte Metallpulver-Suspension auf die Preßfläche bzw. -flächen aufgebracht, wo sie auftrocknet. Bei einem anschließenden Erhitzen der aufgetrockneten Suspension, bei Axiallaufschaufelbefestigungen einer Axialgasturbine im allgemeinen durch das im beschaufelten Strömungsraum strömende Treibgas, kann ein fester Anteil des nichtmetallischen Bestandteils der Suspension entweichen. — Die Metallpulverteilchen der Suspension haben im allgemeinen eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 50 μηι.

Die Erfindung wird im allgemeinen dann angewendet, wenn die Preß- oder Fügestelle außer dem Preßflächendruck noch thermischer Belastung ausgesetzt ist. Die Erfindung kann auch vorteilhafterweise dann angewendet werden, wenn die Preß- oder Fügstelle unter Druck eines Fluids steht; die Preß- oder Fügestelle hält mit dem erfindungsgemäßen Belag bzw. den erfindungsgemäßen Belägen im allgemeinen besser dicht als mit der Folie.

Die erfindungsgemäße Zwischenlage wird insbesondere bei Preßflächen verhakter, hintergreifender oder dgl. Preßflächenträger angewendet, wie z. B. bei den genannten Laufschaufelbefestigungen, wo die Pressung durch die Laufschaufel-Zentrifugalkraft zustande kommt. Sie kann aber auch z. B. bei Gegeneinanderdruck ohne Verhakung angewendet werden.

Im folgenden sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung angegeben.

Für das Metallpulver sind die im Anspruch 2 genannten Metalle oder Metallmischungen bevorzugt. Welches Metall bzw. welche Mischung gewählt wird, richtet sich nach der Betriebstemperatur der mit dem Belag zu versehenden Preß- oder Fügestelle. Bezüglich des nichtmetallischen Bestandteils der Suspension richtet man sich im allgemeinen nach der Lehre des Anspruchs 3. Des weiteren ist die Suspension meist dünnflüssig. Ferner läßt sich die Suspension leicht auftragen. Oft wird sie aufgepinselt. Sie trocknet z. B. in der Art eines Lacks an Luft ab. Der nichtmetallische Bestandteil der Suspension darf beim Erhitzen auf das Metallpulver nicht oxidierend wirken. Erwünscht ist eine reduzierende Wirkung, wie z. B. beim Kolophonium.

Zur Herstellung der Zwischenlage wird z. B. gemäß Anspruch 4, vorzugsweise aber gemäß Anspruch5 vorgegangen. So erhält man einen auf einer Preßfläche oder den beiden Preßflächen haftenden Belag oder zwei auf den beiden Preßflächen haftende Beläge. Die im Anspruch 5 genannten Kapillarkräfte bewirken ein vollständiges Ausfüllen des genannten Zwischenraums mit der Suspension. Wird gemäß Anspruch 5 vorgegangen, werden Fertigungsungenauigkeiten bereits ohne plastische Verformung des Belags weitgehend ausgeglichen, wodurch Spannungspitzen besonders wirkungsvoll abgebaut werden. Nach reduzierendem Erhitzen entsteht ein Belag, der einer Oxidation weitgehend widersteht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer Axiallaufschaufelbefestigung an einer Läuferscheibe einer Axialgasturbine dargestellt.

F i g. 1 zeigt dies in einem zur Nutlängs- und Fußeinschiebrichtung senkrechten Schnitt I-I, und

F i g. 2 zeigt dies in einem zum Schnitt I-I und zur läuferradialen Fuß-Mittelebene senkrechten Ebene II-II.

Die genannte Richtung ist mit 10, die genannte Mittelebene mit 11 bezeichnet. Die Richtung 10 verläuft — siehe F i g. 2 — schräg zur Umfangsrichtung — Pfeil 17 — der Läuferscheibe 13. Im wesentlichen ergeben der keramische Fuß 15 der keramischen Axiallaufschaufel und die zugehörige Nut 18 der metallischen Läuferscheibe 13 zusammen mit zwei zur besseren Sicht übertrieben dick dargestellten metallischen Belägen 14 die genannte Axiallaufschaufelbefestigung. An den Fuß 15 schließt sich ein abgebrochen dargestellter, taillenartiger Übergangsteil 16 und an diesen, was nicht dargestellt ist, eine Schaufelplattform und daran das Schaufelblatt an; die Schaufel besteht einstückig aus allen diesen Teilen. Es weisen der Fuß 15 und die Nut 18 auf jeder Seite der Mittelebene 11 und spiegelbildlich zu ihr zwei miteinander korrespondierende ebene, zueinander parallele tragende Flächen 19 und 20 auf, die zur Mittelebene 11 unter einem Flankenwinkel α von etwa 40° verlaufen (siehe F i g. 1) und zwischen denen sich der Belag 14 befindet Jedes der beiden Flächenpaare 19,20 ist wegen des Flankenwinkels cc durch die radial wirkende Zentrifugalkraft — Pfeil 24 — schräg gepreßt. Die Flächen 19 und 20 erstrecken sich (siehe F i g. 2) von der einen Stirnseite 21 bis zur anderen Stirnseite 22 der Läuferscheibe 13. Der Belag 14 erstreckt sich über diese gesamte Länge der Flächen 19 und 20 (F i g. 2) und die gesamte Breite der Fläche 19 und praktisch die gesamte Breite der Fläche 20 (Fig. 1). Die Fläche 19 ist etwas schmaler als die Fläche 20 und befindet sich bei Vollast der Axialgasturbine wie in F i g. 1 dargestellt, beidseitig in kleinem Abstand von den Längskanten der Flächen 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Zwischenlage aus Metall zwischen schräg oder senkrecht gepreßten Preßflächen, von denen zumindest eine aus keramischem Werkstoff besteht, -> vorzugsweise zwischen Tragflächen eines Axiallaufschaufelfußes und einer diesen Fuß aufnehmenden Nut eines Läuferteils einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage ein aus einer Metallpulver-Suspension ein- oder beidseitig hergestellter Belag (14) ist.

2. Zwischenlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver aus Platin, Nickel, Chrom, Titan, Tantal, Kupfer, Magnesium oder Zink oder einer Mischung aus mindestens zweien dieser Metalle besteht.

3. Zwischenlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmetallische Bestandteil der Suspension eine organische Flüssigkeit oder ein Lack oder eine lackartige Flüssigkeit, Vorzugsweise Zapon- oder Nitrolack oder ein in Alkohol gelöstes Harz, wie z. B. Kolophonium, ist.

4. Verfahren zur Herstellung der Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension auf eine oder beide Preßflächen (19, 20) aufgetragen wird und die Preßflächenträger (13, 15) vor oder nach dem Trocknen und gegebenenfalls Erhitzen der Suspension oder zwischen dem Trocknen und einem Erhitzen der Suspension zusammengebaut werden.

5. Verfahren zur Herstellung der Zwischenlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßflächenträger (13, 15) zusammengebaut werden, die Suspension außen an dem zwischen den Preßflächen (19, 20) befindlichen js Zwischenraum aufgetragen und durch Kapillarkräfte in diesen Zwischenraum hineingezogen wird, worauf die Suspension getrocknet und gegebenenfalls erhitzt wird.

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