DE3725132C2 - Verfahren zur Herstellung eines Turbinenlaufrades für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 zur Herstellung eines Turbinenlaufrades für Gasturbinentriebwerke.

Aus der GB-A-21 06 425 und der GB-A-21 06 016 sind Gasturbinenlaufräder bekannt, die durch Diffusionsbindung vorgeformter Turbinenschaufeln mit dem Umfang einer Trag­ scheibe durch Anwendung eines isostatischen Heißpreßver­ fahrens hergestellt werden. Zunächst wird der Spalt zwischen den Schaufeln und dem Umfang der Tragscheibe durch einen Hartlötvorgang verschlossen. Um aber zu verhindern, daß das Hartlotmaterial die Grenzfläche zwischen den Schaufelkranz und der Tragscheibe verunreinigt, ist eine Hartlotfalle in Form einer kleinen Kammer vorgesehen. Die Erfahrung zeigt, daß diese Kammer während des Hartlötvorgangs sich mit Hartlotmaterial füllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenlaufrades für Gasturbinentriebwerke mittels Diffusionsbindung des Schaufelkranzringes an der Tragscheibe derart weiterzubilden, daß äußerlich an der Verbindungsstelle erkennbar ist, ob die Gesamtverbindung von Tragscheibe und Schaufelkranzring vollständig erfolgte.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

Fig. 1 ein Schaufelkranzring mit einer Anzahl radial nach außen ragender Turbinen­ schaufeln,

Fig. 2 eine Tragscheibe,

Fig. 3 die Tragscheibe mit aufgezogenem Schaufelkranzring,

Fig. 4 in vergrößertem Axialhalbschnitt den Verbindungsbereich zwischen Schaufelkranzring und Tragscheibe einer ersten Ausführungsalternative, und

Fig. 5 ein Axialhalbschnitt ähnlich Fig. 4 einer zweiten Ausführungsalternative.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Schaufelkranzring 10 aus einem Ringteil 11 und einem Kranz von mit gleichen Umfangsab­ ständen angeordneten, radial am Außenumfang des Ringteils angeordneten Turbinenschaufeln 11a. Der Schaufelkranzring 10 kann nach irgendeinem zweckmäßigen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann er durch Zusammensetzen von Turbinenschaufeln mit Fußplatten zu einer ringförmigen Anordnung derart hergestellt werden, daß die Fußplatten benachbarter Schaufeln aneinander anliegen, und anschließendes Verbinden der an­ einander anstoßenden Schaufelfußplatten beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen hergestellt werden. Alternativ dazu kann der Schaufelkranzring durch Herstellen eines Ringes mit einer Vielzahl von im Querschnitt tragflügel­ förmigen Schlitzen an seinem Umfang, Einsetzen von Schaufeln mit entsprechender Querschnittsform in diese Schlitze, und anschließendes Befestigen der Schaufeln in den Schlitzen durch Elektronenstrahlschweißen hergestellt werden. Natür­ lich können auch andere Herstellungsver­ fahren für den Schaufelkranzring Anwendung finden.

Der Ringteil 11 ist an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einem axial nach außen wegragenden Flanschteil 12 bzw. 13 versehen, wie aus Fig. 4 bzw. Fig. 5 ersichtlich ist.

Bei der Ausführungsalternative nach Fig. 4 werden diese beiden Flanschteile 12 und 13 nach der Herstellung des Schaufelkranzringes 10 an ihrem radial inneren Umfang auf den gleichen Innendurchmesser bearbeitet. Der zwischen diesen beiden Axialflanschteilen liegende Innenumfangsbereich des Ringteils 11 selbst ist aber auf einen geringfügig größeren Innendurchmesser als demjenigen der Flanschteile 12 und 13 bearbeitet.

Der Schaufelkranzring 10 kann aus irgendeiner zweck­ mäßigen Legierung gefertigt werden; zu bevorzugen ist aber eine Nickelbasislegierung und insbesondere die unter der Bezeichnung MARM 002 bekannten Nickelbasislegierung.

Die in Fig. 2 dargestellte Tragscheibe 14 ist aus Pulver einer Legierung durch Verdichten unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen zur Verfestigung der Pulverteilchen vorgeformt. Die Legierung ist ebenfalls eine Nickelbasislegierung und vorzugsweise eine unter dem Namen "Astroly" bekannte Legierung. Die Tragscheibe 14 ist im Bereich ihres Außenumfangs ebenfalls an ihren beiden Stirnseiten jeweils mit einem axial nach außen ragenden Flansch­ teil 15 und 16 versehen, wobei diese Flanschteile der Trag­ scheibe 14 in Anordnung und Axialausdehnung den Flansch­ teilen 12 und 13 am Ringteil 11 des Schaufelkranzringes 10 entsprechen. Die Tragscheibe 14 wird zunächst so herge­ stellt, daß die Flanschteile 15 und 16 einen gegenüber dem Innendurchmesser der Flanschteile 12 und 13 des Ringteils 11 geringfügig größeren Außendurchmesser haben. Jedoch werden die Flanschteile 15 und 16 nach der Herstellung der Trag­ scheibe 14 an ihrem Außenumfang so bearbeitet, daß ihr Außendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Flansch­ teile 12 und 13 ist. Der dazwischenliegende Außenumfangs­ bereich der Tragscheibe 14 wird ebenfalls bearbeitet, jedoch so, daß ihr Außendurchmesser geringfügig kleiner als diejenige der Flanschteile 15 und 16 ist.

Außerdem werden in sämtliche Flanschteile 12, 13, 15 und 16 jeweils zwei mit gegenseitigem Abstand angeordnete Ringnuten 17 und 27 eingearbeitet, wobei, wie in Fig. 4 ersichtlich ist, diese Ringnuten jeweils am Außenumfang der Flanschteile 15 und 16 der Tragscheibe 14 und am Innenumfang der Flanschteile 12 und 13 des Ringteils 11 mit jeweils gleichem Axialabstand und derart eingearbeitet werden, daß die Nuten an den Flanschteilen der Tragscheibe 14 den Nuten der Flanschteile des Ringteils 11 jeweils genau gegenüberliegen.

Der Schaufelkranzring 10 wird nunmehr erwärmt, bis seine Wärmedehnung ein solches Ausmaß erreicht hat, daß er sich in der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Weise auf den Außenumfang der Tragscheibe 14 aufziehen läßt. Sodann wirken die Nuten 17 und 27 in den jeweils aneinander anliegenden Flanschteilen 12 und 15 bzw. 13 und 16 von Tragscheibe 14 und Schaufelkranzring 10 im Sinne der Bildung von Ringkammern 18 und 19 zusammen. Da außerdem der Innen­ umfang des Schaufelkranzringes 10 und der Außenumfang der Tragscheibe 14 von den Innen- bzw. Außendurchmessern der entsprechenden Flanschteilflächen verschieden sind, ist zwischen dem Außenumfang der Tragscheibe 14 und dem Innen­ umfang des Ringteils 11 im Zusammenwirken mit den Flansch­ teilen eine weitere geschlossene Ringkammer 20 gebildet. Nunmehr läßt man die aus dem Schaufelkranzring 10 und der Tragscheibe 14 zusammengesetzte Anordnung abkühlen, so daß der Ringteil 11 auf der Tragscheibe 14 aufschrumpft und ein enger Sitz zwischen den Anlageflächen der Flanschteile 12 und 15 bzw. 13 und 16 entsteht. Da also die Tragscheibe 14 mit ihrem Außenumfang und der Ringteil 11 mit seinem Innen­ umfang durch die Ringkammer 20 voneinander getrennt sind, bilden die Flanschteile 12, 13, 15 und 16 die einzige Positionierung des Schaufelkranzringes 10 auf dem Umfang der Tragscheibe 14.

Die Flanschteile 12 und 15 bilden zwischen sich eine außenliegende ringförmige Fuge 21 und die Flanschteile 13 und 16 in gleicher Weise zwischen sich eine außenliegende ringförmige Fuge 22. Diese beiden ringförmigen Fugen 21 und 22 werden durch Vakuumhartlöten verschlossen, so daß die Grenzflächen zwischen den Flanschteilen 12, 13, 15 und 16 jeweils in ihrem außenliegenden Bereich, nämlich im Bereich zwischen den äußeren Fugen 21 und 22 und der außenliegenden Ringkammer 18 zugelötet werden. Die Ringkammern 18, die beispielsweise bis zu 2,5 mm Druchmesser haben können, wirken als Hartlotfallen, um so ein weiteres Einfließen des geschmol­ zenen Hartlots bis in die Ringkammern 19 und die Ringkammer 20 zu verhindern.

Es können natürlich auch andere hochschmelzende Abdichtun­ gen der Fugen 21 und 22 Anwendung finden. Als alternative Abdichtungen kommen beispielsweise Elektronenstrahlschweißen oder andere Schweißverfahren in Betracht.

Nachdem die Fugen 21 und 22 unter Vakuum verschlossen worden sind, wird die ganze Anordnung einem isostatischen Heißpressen unterzogen. Dabei wird die Anordnung einem Druck von etwa 2250 bar bei einer Temperatur von 1228°C während vier Stunden ausgesetzt. Dieser Vorgang dient zur Herbei­ führung einer Diffusionsbindung zunächst zwischen den Flanschteilen 12, 13, 15 und 16. Darüberhinaus bewirkt dieser Heißpreßvorgang ein Zusammendrücken der zweiten Ring­ kammern 19 und der Ringkammer 20, so daß eine durchgehende Diffusionsbindung auch zwischen dem Ringteil 11 und der Tragscheibe 14 sowie über den gesamten axialen Ausdehnungs­ bereich der Flanschteile stattfindet. Die Ringkammern 19 sind so bemessen (typischerweise mit einem Durchmesser von etwa 2,5 mm), daß sie während des isostatischen Heißpreßvor­ gangs derart zusammengedrückt werden, daß sich flache Rinnen in den Anlageflächen der Flanschteile bilden und diese dann eine zuverlässige Sichtanzeige über die erfolgreiche Diffusionsbindung liefern. Die ersteren Ringkammern 18 hin­ gegen können eine solche zuverlässige Sichtanzeige nicht liefern, weil sie mit dem Dichtungsmittel bzw. dem Hartlot gefüllt werden und sicherstellen, daß das Hartlot oder Dichtungsmittel die innenliegenden Ringkammern 19 nicht erreicht.

Wenn die Grenzfläche zwischen den Flanschteilen ver­ unreinigt wird oder Einschlüsse vorhanden sind, erfolgt keine saubere Diffusionsbindung und die Ringkammern 19 werden nicht vollständig zusammengedrückt; dies ist beim Betrachten der Oberflächen der Flanschteile sichtbar. Dadurch, daß vor dem isostatischen Heißpreßvorgang die Positionierung des Schaufelkranzringes 10 auf der Trag­ scheibe 14 nur durch die Flanschteile 12, 13, 15 und 16 erfolgt, wird eine sehr genaue Positionierung des Schaufel­ kranzringes 10 auf der Tragscheibe 14 sichergestellt.

Nach Beendigung des isostatischen Heißpreßvorgangs wird das fertige Turbinenlaufrad durch Ultraschallprüfung untersucht. Die Diffusionsbindung zwischen dem Ringteil 11 und der Rotorscheibe 14 liegt allerdings derart, daß sie nicht in zufriedenstellender Weise durch Ultraschallver­ fahren untersucht werden kann. Dies hat seinen Grund darin, daß eine effektive Ultraschallprüfung eine etwa senkrechte Orientierung der Ultraschallsonde mit Bezug auf die zu untersuchende Fläche erfordert, was aber durch die Konfigura­ tion der Tragscheibe 14 und die Anordnung der Turbinen­ schaufeln 11a ausgeschlossen wird. Jedoch sind die Flansch­ teile 12, 13, 15 und 16 so ausgebildet, daß die Diffusions­ bindung zwischen ihnen leicht mit Hilfe von Ultraschall geprüft werden kann. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Diffusionsbindung zwischen den Flanschteilen 12 und 15 bzw. 13 und 16 zufriedenstellend erfolgt ist, dies auch hin­ sichtlich der Diffusionsbindung zwischen dem Ringteil 11 und der Tragscheibe 14 der Fall ist. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Ringkammern 19, denn, wenn der isostatische Heißpreßvorgang ausreicht, diese Kammern zusammenzudrücken, und vorausgesetzt, daß das Dichtungsmittel oder Hartlot nicht in die Ringkammern 19 hat einfließen können, ist die Ringkammer 20 ebenfalls zusammengedrückt worden und die Diffusionsbindung hat zwischen dem Ringteil 11 und der Tragscheibe 14 zuverlässig stattgefunden.

Wenn auf diese Weise ein zuverlässiges Maß an Diffusionsbindung festgestellt worden ist, werden die Flanschteile 12, 13, 15 und 16 durch Abtrennen entfernt. Wenn dabei weitere Sichtprüfungen des Grenzbereichs zwischen den Flanschteilen 12 und 15 bzw. 13 und 16 gewünscht werden, kann der Bearbeitungsvorgang so ausge­ führt werden, daß Schnittflächen des Grenzbereichs sicht­ bar werden. In jedem Fall liefert das Maß des Zusammen­ drückens der Ringkammern 19 eine gute und zuverlässige Sicht­ anzeige, weil die Außenoberflächen der Flanschteile in diesem Bereich ringförmige Eindrückungen aufweisen.

In Fig. 5 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugs­ ziffern wie in Fig. 4 versehen.

Der einzige wesentliche Unterschied zwischen der Aus­ führung nach Fig. 5 und derjenigen nach Fig. 4 liegt darin, daß bei der Ausführung nach Fig. 5 keine Ringkammer 20 zwischen dem Ringteil 11 und der Trag­ scheibe 14 vorgesehen ist.

Um sicherzustellen, daß Ultraschalloberflächeneffekte vermieden werden, ist es gewöhnlich notwendig, eine für die verwendete Bauart der Ultraschalleinrichtung geeignete Dicke der Flanschteile zu wählen. Demgemäß haben die Flansch­ teile 12, 13, 15 und 16 vorzugsweise jeweils eine Dicke von mehr als 8 mm.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenlaufrads für Gasturbinentriebwerke, bestehend aus einem Schaufelkranzring (10) mit einem Schaufelkranzringteil (11) und einer Anzahl radial nach außen ragender Turbinenschaufeln (11a) und einer Tragscheibe (14), wobei am Außenumfang der Tragscheibe (14) an mindestens einer Tragscheibenstirnseite ein axial abstehender ringförmiger Flansch (15, 16) und am Schaufelkranzringteil (11) jeweils ein dazu komplementärer, axial abstehender Flansch (12, 13) angeformt ist, wobei in den ringförmigen Flansch (15, 16) der Tragscheibe (14) sowie in den Flansch (12, 13) des Schaufelkranzringteils (11) jeweils komplementär eine Umfangsnut (17) eingebracht wird, sodann durch Erwärmung und anschließendes Aufschrumpfen des Schaufelkranzrings (10) auf die Tragscheibe (14), gegebenenfalls unter Bildung einer sich über einen wesentlichen Teil der Grenzflächen zwischen Schaufelkranzringteil (11) und Tragscheibe (14) erstreckenden Ringkammer (20), der Schaufelkranzring auf der Tragscheibe befestigt wird, anschließend die Fugenränder (21, 22) zwischen Tragscheibe (14) und Schaufelkranzringteil (11) insbesondere durch Vakuumhartlöten verschlossen werden, wobei die komplementären Umfangsnuten (17) eine als Sammelraum für Hartlot dienende Ringkammer (18) bilden, und danach durch isostatisches Heißpressen der Baugruppe eine Diffussionsbindung zwischen Tragscheibe (14) und Schaufelkranzring (10) hergestellt wird und schließlich ein Abtrennen der axialen ringförmigen Flansche (12, 13, 15, 16) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschrumpfen des Schaufelkranzrings (10) auf die Tragscheibe (14) in den Flanschteilen (12, 13, 15, 16) jeweils eine weitere Umfangsnut (27) komplementär gegenüberliegend und mit Abstand von der ersten Umfangsnut (17) eingebracht wird, die bei auf die Tragscheibe (14) aufgesetztem Schaufelkranzring (10) eine weitere Ringkammer (19) bildet, die beim isostatischen Heißpressen zusammengedrückt wird.