DE3619063C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenrotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrotors gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 5 bzw. 6.
Da keramische Werkstoffe, wie beispielsweise Zirkonoxid, Siliciumnitrid und Siliciumcarbid, eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Wärmefestigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen, haben sie Beachtung gefunden als Bauwerkstoffe für hohe Temperaturbereiche und als abriebfeste Werkstoffe für Gasturbinenteile, Maschinenteile und dergleichen. Jedoch sind die keramischen Werkstoffe den metallischen Werkstoffen bezüglich der Formbarkeit unterlegen, da sie hart und spröde sind. Ferner haben keramische Werkstoffe infolge ihrer geringen Zähigkeit einen geringen Widerstand gegen Stoßkräfte. Aus diesem Grunde ist es schwierig, Bauteile, wie beispielsweise Maschinenteile, nur aus keramischen Werkstoffen herzustellen, und sie werden deshalb im allgemeinen in Verbundkörpern verwendet, bei denen ein metallisches Element mit einem keramischen Element verbunden ist.
Es sind bereits Turbinenrotoren als Metall-Keramik-Verbundkörper dieser Art bekannt. Fig. 6 zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines derartigen Turbinenrotors. Gemäß Fig. 6 wird der Turbinenrotor fest zusammengefügt, indem eine keramische Welle (52), die einstückig mit einem Turbinenschaufelrad (51) aus Keramik gefertigt ist, in eine Ausnehmung (54) eines Metallelementes (53) eingepaßt ist. Das Einpassen wird gewöhnlicherweise mittels eines Preßsitzes, eines Schrumpfsitzes oder eines Expansionssitzes durchgeführt. Eine Anschlußwelle (55) zur Befestigung eines nicht dargestellten Kompressorrades ist an der dem Turbinenschaufelrad gegenüberliegenden Seite des Metallelementes (53) vorgesehen.
Der vorausgehend beschriebene Turbinenrotor wurde bisher derart eingesetzt, daß das gesamte Metallelement (53) die gleiche hohe Härte aufwies oder daß nur ein Teil des Außenumfanges des mit der Ausnehmung versehenen Abschnittes, der in Anlage an ein Lager zu bringen war, weitergehärtet wurde. Daher hatte die Anschlußwelle (55) zur Aufnahme eines Kompressorrades eine hohe Härte.
Beim Einsatz in der Praxis, wenn ein Kompressorrad (57), das auf der Anschlußwelle (55) für den Kompressor mittels eines Drucklagers (58) und einer Anzugsmutter (56) gemäß Fig. 7 aufgebracht ist, mit hoher Geschwindigkeit umläuft, so wird das Kompressorrad (57) in Richtung des in der Fig. 7 eingetragenen Pfeils, d. h. radial nach außen gestreckt. Infolgedessen verkürzt sich die Größe (L) des Kompressorrades (57) gemäß dieser Figur. Somit war es erforderlich, daß die Anschlußwelle (55) mittels der Anzugsmutter (56) um ein verkürztes Ausmaß der Strecke (L) beim Zusammenbau des Kompressorrades (57) elastisch gestreckt wurde. Ist jedoch die Härte der Anschlußwelle (55) für das Kompressorrad so hoch wie im üblichen Fall, so kann die Anschlußwelle (55) die erforderliche Größe der elastischen Verformung nicht zulassen. Es besteht somit der Nachteil, daß die Schrumpfgröße nicht aufgenommen werden kann und das Kompressorrad (57) während des Betriebes gelockert ist.
Aus der DE-OS 33 43 203 und der DE-OS 27 34 747 ist ein Turbinenrotor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei einem derartigen Turbinen­ rotor ist es nicht vermeidbar, daß sich das Kompressor­ rad bei hohen Drehzahlen gegenüber der Anschlußwelle lockern kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinen­ rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenrotors zu schaffen, der stets ein stabiles Be­ triebsverhalten dahingehend gewährleistet, daß sich das Kompressorrad und seine Anschlußwelle auch bei sehr hohen Drehzahlen nicht lockern können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 5 oder 6 gelöst.
Erfindungsgemäß kann, da die Härte eines Teilbereiches oder Gesamtbereiches des zur Aufnahme des Kompressorrades dienenden Wellenabschnittes der Metallwelle kleiner ist als jene eines Teils der Metallwelle in der Nähe der Turbinenschaufelradseite, die Anschlußwelle mittels einer Anzugsmutter um einen Schrumpfbetrag des Kompressorrades, der bei hohen Drehzahlen verursacht wird, wenn das Kompressorrad mit der Metallwelle verbunden ist, elastisch verformt werden.
Um den Turbinenrotor erfindungsgemäß in derartiger Weise auszubilden, wird das Metallelement auf eine gegebene Härte eingestellt und anschließend wird, bevor oder nachdem das Keramikelement und das Metallelement miteinander verbunden werden, ein Teil des Metallelementes auf der Turbinenradseite mittels einer Hochfrequenzinduktionshärtung oder dergleichen gehärtet, oder als Alternative wird der Gesamtabschnitt des Metallelementes durch Altern gehärtet und anschließend wird ein Abschnitt oder der Gesamtabschnitt des Wellenabschnittes zur Aufnahme des Kompressorrades mittels einer Lösungsbehandlung enthärtet.
Die Härte des Wellenabschnittes zur Aufnahme des Kompressorrades liegt zweckmäßig in einem Bereich von 250 bis 400 der Härteskala nach Vickers. Ist die Härte kleiner als 250 HV, so kann eine ausreichende Festigkeit der Anschlußwelle nicht erhalten werden, ist sie dagegen größer als 400 HV, so kann die erfindungsgemäß erforderliche, elastische Verformung nicht erzielt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Ausführungsform eines Turbinenrotors,
Fig. 2 eine Kurvendarstellung, die die Härteverteilung in Radialrichtung der Ausführungsform nach Fig. 1 angibt,
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Turbinenrotors,
Fig. 4 eine Kurvendarstellung, die die Härteverteilung in Radialrichtung der Ausführungsform nach Fig. 3 angibt,
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Turbinenrotors,
Fig. 6 eine teilweise geschnittene Darstellung eines bekannten Turbinenrotors, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Zustands, gemäß welchem ein Kompressorrad auf eine Anschlußwelle aufgebracht wird.
Beispiel 1 (Fig. 1)
Zunächst wurde ein Keramikelement (1) aus Siliciumnitrid gemäß einem drucklosen Sinterverfahren hergestellt. Dieses Keramikelement (1) hat ein Schaufelrad (1 a) mit einem Durchmesser von 60 mm, einen Wellenabschnitt (1 b) mit einem Durchmesser von 10 mm und einen endseitigen Ansatz (1 c). Ein Rundstab aus Chrom-Molybdän-Stahl (japanische Industrienorm SCM 435) wurde hergestellt. Dieser Rundstab war einer Ölabschreckung unterzogen worden, nachdem er in seiner Gesamtheit während einer Stunde auf einer Temperatur von 850°C gehalten und anschließend durch erneutes Erhitzen auf 635°C, über eine Zeitspanne von einer Stunde, getempert wurde.
Der Rundstab wurde anschließend bearbeitet, um eine Kompressorrad-Aufnahmewelle (4) zu ergeben, die an einem Ende einen Abschnitt (2) mit einem Außendurchmesser von 10 mm hat, der mit einer Ausnehmung versehen ist, und am anderen Ende einen Gwindeabschnitt (3). Dieser Gewindeabschnitt hat einen Außendurchmesser, der kleiner ist als jener des mit der Ausnehmung versehenen Abschnittes. Ein Ansatz (1 c) des Keramikelementes (1) wurde mit Preßsitz in die Ausnehmung der Kompressorrad-Aufnahmewelle (4) bei 350°C eingebracht, damit der in Fig. 1 dargestellte Turbinenrotor erhalten wird. Zu diesem Zeitpunkt war die Härte der Kompressorrad-Aufnahmewelle (4) 295 gemäß der Vickers-Härteskala.
Der Außenumfang des mit der Ausnehmung versehenen Abschnittes (2) der Kompressorrad-Aufnahmewelle (4) wurde anschließend einer Oberflächenhärtung mittels Ionennitrierung unterzogen. Diese Nitrierungsbehandlung wurde in einem Gasgemisch von H2 : N2 = 3 : 7 bei 530°C während 10 Stunden durchgeführt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, war die Härte des mit der Ausnehmung (2) versehenen Abschnittes nach der Ionennitrierung an der Oberfläche 800 HV und verringerte sich radial nach innen. Anschließend wurde der Turbinenrotor bearbeitet, um einen Turbinenrotor mit dem in Fig. 1 dargestellten Fertigprofil zu erhalten.
Nachdem ein Kompressorrad auf den auf diese Weise erhaltenen Turbinenrotor unter Berücksichtigung einer Schrumpfgröße befestigt wurde, wurde ein Rotationstest bei einer Drehzahl von 150 000 Upm in einem Verbrennungsgas während einer Zeitspanne von 100 Stunden durchgeführt, wobei ein Prüfgerät für Umlauf bei hoher Temperatur verwendet wurde. Dabei wurde keine Lockerung des Kompressorrades beobachtet.
Beispiel 2 (Fig. 3)
Ein Keramikelement (11) wurde, ausgehend von Siliciumnitrid, mittels eines drucklosen Sinterungsverfahrens erhalten. Dieses Keramikelement (11) hatte ein Schaufelrad (11 a) mit einem Durchmesser von 60 mm und einen Ansatz (11 b) mit einem Durchmesser von 8 mm. Ein Rundstab mit einem Durchmesser von 10 mm wurde mittels Nitrieren von Stahl hergestellt (japanische Industrienorm SACM 645). Der gesamte Nitrierungsstahl wurde während einer Stunde bei 900°C gehalten, in Wasser abgeschreckt und getempert. Die Härte dieses nitrierten Stahls war 293 nach Vickers.
Anschließend wurden, nachdem nur der Außenumfang des Rundstabes entsprechend einem Profil bearbeitet wurde, das im wesentlichen jenem der Metallwelle nach Fig. 3 entsprach, die Abschnitte (17, 18) des Rundstabes, die von Lagern (15, 16) aufgenommen werden sollten, einer Oberflächenhärtungsbehandlung mittels Ionennitrierung unterzogen. Diese Nitrierungsbehandlung wurde durchgeführt, indem der Rundstab bei 550°C in einem Gasgemisch von H2 : N2 = 1 : 1 während einer Zeitspanne von 20 Stunden gehalten wurde, nachdem der Bereich außerhalb der die Lager aufnehmenden Abschnitte (17, 18) mit einem schwachen Stahlüberzug versehen war. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, beträgt die Härte der gehärteten Abschnitte (17, 18) nach der Nitrierungsbehandlung 1200 nach der Vickers-Skala und verringert sich radial nach innen.
Somit wurde eine Kompressorrad-Aufnahmewelle (14) erhalten, die einen mit einer Ausnehmung versehenen Abschnitt (12) mit den erwähnten gehärteten Abschnitten (17, 18) an einem Ende des mittels Nitrieren behandelten Rundstabs aufwies, sowie einen Gewindeabschnitt (13) am anderen Ende, dessen Außendurchmesser kleiner als jener des mit der Ausnehmung versehenen Abschnittes war. Der Innendurchmesser der Ausnehmung betrug 7,9 mm in einem Bereich (A), der zwischen den gehärteten Abschnitten liegt, und 8,1 mm am anderen Abschnitt. Der Ansatz (11 b) des Keramikelementes (11) wurde mit einem Preßsitz in die Ausnehmung (12) der Kompressorrad-Aufnahmewelle (14) bei 350°C eingesetzt, um den in Fig. 3 dargestellten Turbinenrotor zu erhalten. Der Abschnitt der Kompressorrad-Aufnahmewelle hatte nunmehr außerhalb der mittels der Nitrierungsbehandlung gehärteten Abschnitte (17, 18) eine Härte von 293 der Vickers-Skala. Anschließend wurde der Turbinenrotor durch eine Endbearbeitung mit seinem endgültigen Profil versehen.
Nachdem das Kompressorrad unter Berücksichtigung einer Schrumpfgröße auf diesen Turbinenrotor aufgebracht wurde, erfolgte ein Lauftest bei einer Drehzahl von 150 000 Upm in einem Verbrennungsgas während 100 Stunden unter Verwendung eines Prüfgerätes für Lauf bei hoher Temperatur. Als Ergebnis wurde keine Lockerung des Kompressorrades festgestellt.
Beispiel 3 (Fig. 5)
Zunächst wurde ein Keramikelement (21), ausgehend von Siliciumnitrid, hergestellt, das durch ein druckloses Sinterungsverfahren erhalten wurde. Dieses Keramikelement (21) hatte ein Laufrad (21 a) mit einem Durchmesser von 60 mm und einen Ansatz (21 b) mit einem Durchmesser von 7,8 mm. Anschließend wurde ein lösungsbehandelter gealteter (maraging) Stahl zur Erzielung eines Metallelementes bearbeitet. Dieses Metallelement hatte einen mit einer Ausnehmung versehenen Abschnitt (22), wobei die Ausnehmung einen Außendurchmesser von 9,5 mm und einen Innendurchmesser von 8,0 mm in einem Bereich vom offenen Ende bis zu einer Tiefe von 30 mm aufwies und, ausgehend von einer Tiefe von 30 mm bis 45 mm, einen Innendurchmesser von 7,72 mm, sowie einen Gewindeabschnitt (23) und einen Kompressorrad- Aufnahmeabschnitt (24), dessen Durchmesser kleiner war als jener des mit der Ausnehmung versehenen Abschnittes. Anschließend wurde der Ansatz (21 b) des Keramikelementes (21) mit Preßsitz in die Ausnehmung des Metallelementes bei Raumtemperatur eingesetzt und damit der in Fig. 5 dargestellte Turbinenrotor erhalten. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Härte des Metallabschnittes nach der Rockwell-Skala 33.
Anschließend wurde der gesamte Turbinenrotor durch Altern gehärtet, indem er für eine Zeitspanne von 3 Stunden auf 550°C erhitzt wurde. Die Härte des durch Altern gehärteten Metallelementes betrug 52 nach der Rockwell-Skala. Anschließend wurde nur der Kompressorrad-Aufnahmeabschnitt (24) während 15 Minuten auf 830°C erhitzt, um eine Lösungsbehandlung durchzuführen. Die Härte des der Lösungsbehandlung unterzogenen Kompressorrad-Aufnahmeabschnittes (24) betrug 32 nach der Rockwell-Skala. Anschließend wurde die Endbearbeitung durchgeführt, um den Turbinenrotor mit dem Endprofil gemäß Fig. 5 zu erhalten.
Ein Kompressorrad wurde auf diesen Turbinenrotor unter Berücksichtigung einer Schrumpfgröße aufgebracht. Anschließend wurde ein Lauftest mit einer Drehzahl von 150 000 Upm während 100 Stunden in einem Verbrennungsgas durchgeführt und ein Prüfgerät für Lauf bei hoher Temperatur eingesetzt. Als Ergebnis wurde keine Lockerung beim Kompressorrad festgestellt.
Obgleich Siliciumnitrid als Keramikelement bei den vorausgehend aufgeführten Ausführungsformen verwendet wurde, können auch Siliciumcarbid, Sialon etc., abhängig vom Anwendungsgebiet, verwendet werden. Darüber hinaus können als metallische Werkstoffe Nickel-Chrom-Molybdänstahl, ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl, ausscheidungsgehärtete Superlegierung etc. neben nitriertem Stahl, Chrom-Molybdän-Stahl und gealtertem (maraging) Stahl verwendet werden. Obgleich in den vorausgehend aufgeführten Ausführungsformen das Keramikelement mit der Metallwelle mittels Preßsitz verbunden wurde, kann die Verbindung auch durch ein anderes Verfahren, wie beispielsweise Hartlöten, erfolgen.

Claims (7)

1. Turbinenrotor mit einem Turbinenschaufelrad aus Keramik, einer Keramikwelle, die integral mit dem Turbinenschaufelrad ausgebildet ist, und einer mit der Keramikwelle verbundenen Metallwelle, die einen Lagersitzabschnitt und einen Kompressorradsitzabschnitt umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte zumindest eines Teils des Kompressorradsitzabschnittes kleiner ist als die zumindest eines Teils des Lagerabschnittes und HV 250 bis HV 400 beträgt.
2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte zumindest eines Teilbereiches des Kompressorradsitzabschnittes gleich jener der Außenfläche der Metallwelle (4) ist.
3. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte zumindest eines Teilbereiches des Kompressorradsitzabschnittes gleich der des Innenabschnittes der Metallwelle (4) ist.
4. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwelle (4) aus mindestens einem metallischen Werkstoff besteht, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus gealtertem Stahl, Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl, Chrom-Molybdän-Stahl, aus ausscheidungsgehärtetem rostfreiem Stahl, aus ausscheidungsgehärteter Superlegierung und nitriertem Stahl besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrotors mit einem Turbinenschaufelrad aus Keramik, einer integral mit dem Turbinenschaufelrad ausgebildeten Keramikwelle, sowie einer mit der Keramikwelle verbundenen Metallwelle, die einen Lagersitzabschnitt und einen Kompressorradsitzabschnitt aufweist, nach welchem Verfahren die Keramikwelle mit der Metallwelle verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden der Keramikwelle mit der Metallwelle die Härte der gesamten Metallwelle auf HV 250 bis HV 400 eingestellt wird und dann zumindest ein Teil des Lagersitzabschnittes durch eine Hochfrequenzinduktionshärtung oder Ionennitrierung einer Härtungsbehandlung unterzogen wird, wobei die Härte dieses Lagersitzabschnittes größer als jene des Kompressorradsitzabschnittes ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Turbionenrotors mit einem Turbinenschaufelrad aus Keramik, einer mit dem Turbionenschaufelrad integral ausgebildeten Keramikwelle und einer mit der Keramikwelle verbundenen Metallwelle, die einen Lagersitzabschnitt und einen Kompressorradsitzabschnitt aufweist, nach welchem Verfahren die Keramikwelle mit der Metallwelle verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwelle aus einer ausscheidungsgehärteten Legierung hergestellt wird, die einer Lösungsbehandlung unterzogen wird, daß die Metallwelle mit der Keramikwelle verbunden wird, daß danach die Metallwelle mittels Ausscheidungshärtung gehärtet wird, und daß zumindest ein Teil des Kompressorradsitzabschnittes durch erneutes Erhitzen auf eine Lösungsbehandlungstemperatur die Härte herabgesetzt wird auf HV 250 bis HV 400, wodurch die Härte zumindest eines Teils des Kompressorradsitzabschnittes kleiner als jene des Lagersitzabschnittes ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrotors gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur der Lagersitzabschnitt der Metallwelle gehärtet wird.
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