DE3731901A1 - Verbindung von keramischen und metallischen formteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit metallischem Gehäuse, in welchem aus keramischen Werkstoffen bestehende Komponenten wie Brennkammer oder Turbinenleitkranz eingesetzt sind.

Im Gasturbinenbau gehen die Bestrebungen zu immer höheren Prozeßtem­ peraturen, da die Forderungen nach verbesserter Wirtschaftlichkeit und damit höheren Wirkungsgraden hierdurch wesentlich zu beeinflussen sind. Dabei werden mittlerweile Temperaturen erreicht, die von gängigen metallischen Werkstoffen nur unter aufwendigen Kühlmaßnahmen ausgehal­ ten werden. Als Alternativ-Werkstoffe bieten sich für thermisch hoch­ belastete Formteile wie Brennkammer oder Turbinenleitkränze keramische Werkstoffe an, da diese erheblich höhere Temperaturen als metallische Werkstoffe aushalten. Nachteilig sind jedoch die geringere dynamische Festigkeit und die größere Sprödigkeit der Keramikwerkstoffe. Problema­ tisch ist dabei vor allem die Montage größerer keramischer Formteile in metallischen Gehäusen, da neben den oben erwähnten Nachteilen Keramik und Metall stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwei­ sen. Bei thermischer Beanspruchung führt dies zu starken Spannungen in der Verbindung mit der möglichen Folge von Rissen in der spröden Kera­ mik.

Ausgehend von diesen im Stand der Technik bekannten Nachteilen ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verbindung zwischen metallischen und kera­ mischen Formteilen einer Gasturbine zu schaffen, die die Herstellung von keramisch-metallischen Hybridbauteilen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an den Verbin­ dungsstellen zwischen keramischer Komponente und metallischem Gehäuse aus gesintertem Werkstoff bestehende dickwandige Zwischenschichten vorgesehen sind.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den Sinterwerkstoff eine feste und unlösliche Verbindung der Formteile erzielt wird. Beim Sintervorgang wird durch das Fließen des Sinterwerk­ stoffes eine Druckspannung im Zwischenraum aufgebaut, welcher eine feste Haftung der Grenzflächen Keramik/Sinterwerkstoff bzw. Metall/ Sinterwerkstoff ermöglicht. An letzterer Grenzfläche kann es zusätzlich zu Diffusionsvorgängen kommen, wodurch die Haftfestigkeit dieser Ver­ bindung weiter erhöht wird.

Weiterhin bildet der Sinterwerkstoff eine duktile und aufgrund seiner Porosität wärmeisolierende Zwischenschicht und kompensiert auf diese Weise die gegensätzlichen Werkstoffeigenschaften von Metall und Kera­ mik, insbesondere die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Im Betrieb wird die keramische Komponente, z. B. die Brennkammer, den bei der Verbrennung entstehenden hohen Temperaturen ausgesetzt. Über die Zwischenschicht ist diese mit dem Triebwerksgehäuse verbunden, wobei letzteres relativ kühl bleibt. Die dickwandige duktile Zwischen­ schicht verhindert dabei zu starken Wärmefluß und kompensiert gleich­ zeitig die unterschiedlichen Thermodehnungen von Keramik und Metall, so daß thermisch bedingte Spannungen oder sogar Risse vermieden werden.

In weiterer Ausführung der Erfindung weist die keramische Komponente und/oder das metallische Gehäuse an der Grenzfläche zu den Zwischen­ schichten Einrichtungen für eine formschlüssige Verbindung, z. B. in Form von Flanschen oder Nuten auf, wodurch die Festigkeit der Verbin­ dung, insbesondere in bezug auf Vibrationen erhöht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Patentansprüchen 6 bis 13 wiedergegeben. Dabei sei besonders darauf hingewiesen, daß die Auswahl des Sinterwerkstoffes den Erfordernissen angepaßt werden kann, so wirkt z. B. ZrO₂ besonders wärmedämmend, während NiC eine duktile Verbindung beider Formteile gewährleistet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt einer Gasturbinen-Brennkammer,

Fig. 2 den Axialschnitt eines Gasturbinen-Leitkranzes mit nach­ folgender Turbinenstufe.

In Fig. 1 ist eine Brennkammer 1 aus Keramik gezeigt, welche im wesentlichen aus einem zylindrischen Flammrohr 2 besteht, an welchem ein keramischer Brennkammerkopf 3 mit eingelassener Brennstoffdüse 4 und Zündvorrichtung 5 angebracht ist.

Die zu verbrennende Luft tritt durch die Eintrittsbohrungen 6 in die Brennkammer 1 ein, wobei sie mit dem über die Brennstoffdüse 4 einge­ spritzten Brennstoff vermengt und verbrannt wird. Zu dem sehr heißen Reaktionsgas wird durch stromabwärtige Eintrittsbohrungen 7 weitere Kaltluft dazugemischt, wodurch die Gastemperatur auf erträgliche Werte gesenkt wird. Anschließend strömt das Heißgas durch den in Fig. 2 ge­ zeigten Turbinenleitkranz 8 und beaufschlagt die nachfolgende Turbine, deren 1. Stufe 9 ebenfalls in Fig. 2 zu sehen ist.

Die Brennkammer 1 ist vorzugsweise an einer dem Brennkammerkopf 3 nahen Stelle 10, und an einer stromabwärtigen Stelle 11 über ringförmige Verbindungsvorrichtungen mit dem metallischen Gehäuse 12 verbunden.

Dazu ist der Brennkammerkopf 3 mit einem radial auswärts ragenden, umlaufenden Ringflansch 13 versehen, an welchem sich ein metallischer Zwischenring 14 anlehnt. Dieser ist über nicht näher dargestellte Verbindungsglieder (Schrauben) mit einem Gehäuse 12 verbunden. In der ringförmigen Einsenkung, die durch den keramischen Ringflansch 13 und den metallischen Ring 14 gebildet ist, ist eine dickwandige Zwischen­ schicht 15 aus gesintertem Werkstoff vorgesehen, die beide Teile 13 und 14 fest miteinander verbindet.

Die im wesenlichen gleich ausgeführte Verbindung des Flammrohres 2 mit dem Gehäuse 12 über die Zwischenschicht 16 unterscheidet sich von obi­ ger Ausführung darin, daß hierbei der keramische Ringflansch 17 und der Zwischenring 18 ringförmige Nuten aufweisen, wodurch beide Elemente über die Zwischenschicht 16 formschlüssig zusammengehalten werden. Dabei sei darauf hingewiesen, daß lediglich zu Darstellungszwecken verschiedene Ausführungen gezeigt sind, ohne daß hierdurch eine Ein­ schränkung auf die gezeigte Ausführungsform beabsichtigt ist.

An der stromabwärtigen Stelle 11 ist über eine Zwischenschicht 19 und einen Zwischenring 20 eine weitere prinzipiell gleichwirkende Verbin­ dung der Brennkammer 1 mit dem Gehäuse 12 vorgesehen.

Eine Befestigungsvorrichtung für einen keramischen Turbinenleitkranz 8 am Gehäuse 12 bzw. an einem Brennkammer-Innengehäuse 21 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Turbinenleitkranz 8 besteht aus zwei konzentrischen Pro­ filringen 22 und 23, welche durch eine Anzahl über dem Umfang verteil­ ter schaufelartiger Stützrippen 24 miteinander verbunden sind. Zwischen dem äußeren Profilring 22 und dem Gehäuse 12 ist wiederum ein ringför­ miger Raum vorgesehen, welcher mit einer dickwandigen, gesinterten Zwischenschicht 24 ausgefüllt ist. Eine definierte Lage des Turbinen­ leitkranzes 8 in bezug auf das Gehäuse 12 wird dadurch erreicht, daß der Profilring 22 an einem Ringflansch 28 des Gehäuses 12 in axialer Richtung anschlägt.

Analog der oben dargestellten Weise ist der Turbinenleitkranz 8 über den Profilring 23 und eine Zwischenschicht 25 mit dem Brennkammerin­ nengehäuse 21 verbunden. Die erste Turbinenstufe 9, bestehend aus einem Rotor 26 und einer Anzahl daran befestigter Turbinenschaufeln 27 ist dem Turbinenleitkranz 8 strömungsmäßig nachgeordnet.

Die Herstellung der ringförmigen Zwischenschichten 24 und 25 erfolgt über Spalte 29 und 30, durch die das Sinterpulver eingespritzt wird.

Claims (9)

1. Gasturbine mit metallischem Gehäuse, in welchem aus keramischen Werkstoffen bestehende Komponenten wie Brennkammer oder Turbinen­ leitkranz eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ver­ bindungsstellen zwischen keramischer Komponente (2, 13, 24) und metallischem Gehäuse (12, 21) aus gesintertem Werkstoff bestehende dickwandige Zwischenschichten (15, 16, 19, 24, 25) vorgesehen sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kera­ mische Komponente (13) und/oder das metallische Gehäuse (12) an der Grenzfläche zu den Zwischenschichten (15, 16, 19, 24, 25) Einrich­ tungen für eine formschlüssige Verbindung aufweist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterwerkstoff der Zwischenschichten (15, 16, 19, 24, 25) eine Metallegierung ist.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sin­ terwerkstoff eine Legierung von Elementen aus W, Mo, Nb, Ta mit Elementen aus Ni, Co, Cr und Ti ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterwerkstoff aus Pulver mit metallischer Umhüllung besteht.

6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metal­ lische Umhüllung aus Ca, Co oder Ni besteht.

7. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterwerkstoff durch Gas- oder Wasserverdüsung oder durch Mahlen hergestelltes Pulver ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Metallkarbiden, -nitriden, -boriden, -siliciden oder -oxiden besteht.

9. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterwerkstoff ein Chlorid von W, Mo, Nb oder Ta ist.