DE3535499A1 - Turbinenrotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenrotor mit einer Vielzahl von Schaufeln, an deren inneren radialen Enden schwalbenschwanzförmige Vorsprünge vorge­ sehen sind.

Der Wirkungsgrad eine Gasturbinentriebwerks, d. h. die Leistung in Bezug zum Brennstoff, ist eine Funktion der Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneinlaß. Diese Temperatur wird üblicherweise optimiert unter Berücksichtigung der Festigkeit der Turbine und der Düse. Die maximal zulässige Einlaßtemperatur am Turbinen­ rotor von herkömmlichen ungekühlten metallischen Turbinen­ rotoren beträgt ca. 1093°C (2000°F). Soll die Einlaßtem­ peratur am Turbinenrotor auf einen Wert oberhalb von 1093°C erhöht werden, so erfordert dies die Verwendung von besonderen Schaufelmaterialien aus Superlegierungen, die üblicherweise nicht verwendbar sind im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften der Rotornabe.

Eine Lösung dieses Verträglichekeitsproblems besteht darin, einen Turbinenrotor mit Vielfacheigenschaften herzustellen. Bei großen Gasturbinen, bei denen die Abmessung und der komplizierte Aufbau nicht kritisch sind, wird dies dadurch erzielt, daß die einzelnen Schaufeln aus einem Material hoher Druckfestigkeit mechanisch mit einer Scheibe hoher Berstfestigkeit verbunden werden. Die Größe, die Kosten und der komplizier­ te Aufbau eines derarigen Rotors mit Vielfacheigenschaften haben jedoch diese Anwendung für kleine leichte Gasturbi­ nentriebwerke verhindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfachen billigen Turbinenrotor mit Vielfacheigenschaften für die Verwendung in kleinen Gasturbinentriebwerken zu schaffen, wobei der Rotor eine Vielzahl von Schaufeln hoher Bruchfe­ stigkeit aufweist, die fest mit einer Nabe aus einer Legierung hoher Berstfestigkeit verbunden sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die einzelnen Turbinenschaufeln können z. B. aus einer Einkristallegierung, aus einer Legierung mit gerichteter Erstarrung einschließlich gerichtet erstarrtem Eutektikum, aus einer Legierung mit dispersionsgehärteten Oxiden, aus einer Legierung mit schneller Erstarrungsgeschwindigkeit, aus mechanisch legierten Stoffen etc. bestehen. Der Fuß und der schwalbenschwanzförmige Vorsprung einer jeden Schaufel wird mit einem konventionellen Diffusionskontaktmaterial beschichtet, wonach die Schaufeln in eine Einbauvorrich­ tung eingesetzt werden. Diese Einbauvorrichtung weist innere und äußere Ringe auf, wobei der ringförmige Raum zwischen ihnen mit Harzsand oder einer keramischen Auf­ schlämmung gefüllt wird, wie es in der US-PS 44 94 287 der Anmelderin beschrieben ist. Nach dem Aushärten wird der ringförmige Kern von der Einbauvorrichtung abgenommen, wonach ein Sand- oder Keramikkern mit den freiliegenden schwalbenschwanzförmigen Vorsprüngen an den Schaufeln übrig bleibt. Es ist auch möglich, die unbeschichteten Schaufeln im Keramik- oder Sandring anzuordnen und die freiliegenden Schaufelfüße insgesamt zu beschichten. Der Kern mit den Schaufeln wird dann in eine Gußform für die Rotornabe eingeführt, wonach die Rotornabe um die schwalbenschwanz­ förmigen Vorsprünge der Schaufeln herumgegossen wird. Während des Gießens der Nabe erfolgt eine Diffusionskon­ taktverbindung der Anordnung, wobei noch ein heißer isostatischer Druckvorgang zur Vervollständigung der Ver­ bindung durchgeführt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein als Rotor dienendes Turbinenrad,

Fig. 2 eine Ansicht eines beschichteten Schaufelrades nach dessen Herstellung;

Fig. 3 eine Ansicht der Gußform für die Gießverbindung der Schaufeln mit der Turbinennabe;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines ringförmigen Kerns mit den darin angeordneten Turbinenschau­ feln;

Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 5 von Fig. 4;

Fig. 6 eine Ansicht des in Fig. 3 angedeuteten Kreises 6 und

Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 nach dem Schweißen.

In Fig. 1 ist mit 10 ein als Rotor dienendes Turbinenrad bezeichnet mit einer Vielzahl von Schaufeln 12, die aus einem hochwarmfesten Material durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden. Beispiele dieser Materialien sind Einkristalle des Typs CMSX 2, MarM 247 oder NASAIR 100 in Form von gerichtet erstarrtem Eutektikum, gerichtet er­ starrten Gußstücken oder mechanisch gehärteten Legierungen.

Wie Fig. 2 zeigt, weist jede Schaufel 12 einen schwal­ benschwanzförmigen Vorsprung 14 auf, der sandgestrahlt wird und danach mittels Plasmaspritzens mit einer Diffu­ sionskontaktverbindung (activated diffusion bond alloy ADB) 16 beschichtet wird. Als Material für diese ADB-Be­ schichtung 16 kommt üblicherweise Ni-Cr-B oder Ni-Cr-B-Si- Legierung in Frage, wobei die Schichtdicke und das Schichtverfahren bekannt sind. Die ADB-Beschichtung 16 bewirkt eine metallurgische Verbindung zwischen den Einzel­ teilen des Turbinenrotors, wie es noch ausgeführt werden wird.

Fig. 3 zeigt einen keramischen Ring 18 zur Aufnahme der Schaufen 12 in einer gewünschten Anordnung und im Zusammen­ hang mit einer Gußform 20, in der ein Gußraum 22 vorgesehen ist zur Herstellung des Turbinenrades 10.

Eine sehr hoch erhitzte Schmelze wird in die vorgewärmte Gußform 20 unter Vakuum gefüllt und bewirkt das Schmelzen der ADB-Legierungsschicht 16 auf den schwalbenschwanz­ förmigen Vorsprüngen 14, wodurch eine metallurgische Verbindung zwischen den Schaufeln 12 und der gegossenen Nabe 24 entsteht, wenn die gesamte Gußform langsam abgekühlt wird, wodurch das einstückige, aus mehreren Legierungen bestehende Turbinenrad 10 entsteht.

Die Einzelteile, die miteinander bei diesem Verbindungspro­ zess reagieren, sind die Schaufeln 12, die aus Superlegie­ rung bestehende Nabe 24, die beide Schmelzpunkte von ungefähr 1370°C aufweisen und die Verbindungsschicht 16 auf den schwalbenschwanzförmigen Vorsprüngen 14 der Schaufeln 12. Diese Aktivatorschicht 16 weist einen Schmelzpunkt von ungefähr 1093°C auf. Wird die Gesamtanordung auf eine Temperatur oberhalb von 1093°C in der Gußform 20 beim Gießen der Nabe 24 gebracht, so wird die Aktivatorschicht 16 schmelzen aufgrund der Tatsache, daß Bor einen relativ geringen Schmelzpunkt aufweist. Während des Kühlens wandert das Bor langsam in die Nabe 24 und die Schaufeln 12 i Festzustand ein. Da das Bor einen relativ geringen Schmelzpunkt der Verbindungsschicht 16 bewirkt, wird dieser Schmelzpunkt der Schicht 16 durch das Abwandern von Bor erhöht und gleichzeitig der Schmelzpunkt der Nabe 24 und der Schaufeln 12 erniedrigt bis zu einem Gleichgewichts­ punkt von ca. 1204°C. Nach dem Erstarren der gesamten Anordnung wird das so hergestellte Turbinenrad 10 einer Enbearbeitung unterzogen und mit den anderen passenden Bauteilen für ein Gasturbinentriebwerk zusammengebaut.

Wie Fig. 6 zeigt, können manchmal Hohlstellen 30 auftreten aufgrund unvollständiger Verbindung zwischen der Schmelze und den Schaufeln 12 während der Erstarrung. Diese Schwierigkeiten lassen sich üblicherweise vermeiden durch die Verwendung eines heißen isostatischen Druckvorgangs während des Herstellungsverfahrens. Gemäß einer erfindungs­ gemäßen Ausgestaltung lassen sich diese Schwierigkeiten auch dadurch vermeiden, daß ein Schweißverfahren mit einem Elektronenstrahl durchgeführt wird und zwar am Grundteil des schwalbenschwanzförmigen Vorsprungs 14 der Schaufeln, um so einen Schweißbereich 29 zu erzeugen. Das Elektronen­ strahlschweißen beseitigt jeden Hohlraum 30 an der kriti­ schen radialen inneren Grenze zwischen den schwalben­ schwanzförmigen Vorsprüngen 14 und der Nabe 24 und resultiert in Stengelbereichen 32, die sich axial zum Turbinenrad 10 erstrecken. Eventuelle Hohlstellen werden zu nichtkritischen Stellen verschoben, die radial außerhalb der schwalbenschwanzförmigen Vorsprünge 14 der Schaufeln 12 liegen und an denen sie zu einer durchaus erwünschten Dämpfung von Schaufelvibrationen beitragen.

Claims (1)

1. Turbinenrotor, mit einer Vielzahl von Schaufeln, an deren inneren radialen Enden schwalbenschwanzförmige Vorsprünge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß
   die schwalbenschwanzförmigen Vorsprünge (14) der Schaufeln (12) von einer metallischen gegossenen Nabe umgeben sind,
   daß zwischen den schwalbenschwanzförmigen Vorsprüngen der Schaufeln und der Nabe ein Ni-Cr-B-Diffusions-Kontakt­ material (16) angeordnet ist und
   daß ein sich axial zum Turbinenrotor erstreckender Elektro­ nenstrahlen-Schweißbereich mit Stengelgefüge vorgesehen ist, der radial derart begrenzt ist, daß er nur die radialen inneren Endenabschnitte der schwalben­ schwanzförmigen Vorsprünge der Schaufeln und die benach­ barten Abschnitte der Nabe umfaßt.