DE3903588C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei neuzeitlichen Turbinenstrahltriebwerken werden im Interesse einer Gewichtsverminderung aus Titan bzw. Titan­ legierungen gefertigte Bauteile und Baugruppen eingesetzt, und zwar insbesondere beim Verdichter oder Gebläse. Z.B. beim Hochdruckverdichter des zum Triebwerk gehörenden Gas­ erzeugers sind Temperatur- und Kraftbeanspruchungen an der oder den letzten Stufen des Verdichters so hoch angesiedelt, daß sie von aus Titan oder Titanlegierungen gefertigten Bauteilen, insbesondere den Laufradscheiben, nicht mehr beherrscht werden können; verhältnismäßig frühzeitig ein­ setzende Materialanrisse und Materialbruchgefahren sind so­ mit zu erwarten. Mit anderen Worten ist also die zulässige Kriech- und Temperaturbelastbarkeitsgrenze etwa bei einem Temperaturwert von 500°C z.B. bei einer Titan-Basis-Legierung angesiedelt; dem stehen weit höhere Verdichterend- bzw. austrittstemperaturen (700°C und darüber) gegenüber, die u.a. hinsichtlich der zulässigen Materialkriechgrenze be­ herrscht werden müssen, und zwar begründet in dem steten Bemühen, die Verdichterenddrücke immer weiter zu steigern, um die Brennstoffverbräuche zu reduzieren. Aus den genannten Gründen ist es notwendig, die in der Praxis beim Verdichter vergleichsweise höher beanspruchten Laufradscheiben im Be­ reich der zumindest letzten Verdichterstufen bzw. an der letzten Verdichterstufe aus geeigneten metallischen Legie­ rungen, z.B. einer Nickel- oder Nickelbasislegierung zu fertigen, die den entsprechend höheren Materialanforderungen bei guten Kriecheigenschaften gewachsen sind.

Um den durch die Anwendbarkeit von Titan bzw. von Titan­ legierungen im zulässigen Temperatur- und Kraftbeanspruchungs­ bereich möglichen Vorteil der Gewichtseinsparung weitest­ gehend nutzbar zu machen, müssen also Titan- und Nickel-Rad­ scheiben an geeigneter Stelle betriebsoptimal miteinander verbunden werden. Bei herkömmmlichen gleichartigen Material­ partnern gelingt dies ohne weiteres im Wege herkömmlicher Schweißverfahren, indem die Rotorscheiben z.B. durch einge­ schweißte Zwischenringe miteinander verbunden werden. U.a. im Wege z.B. des Elektronenstrahlschweißens können so die einzelnen Radscheiben auf äußerst rationelle Weise zu einer Rotortrommel miteinander verbunden werden. Dieses rationelle Verbindungsverfahren läßt sich jedoch bei ungleichartigen Materialpartnern (z.B. Zwischenring aus Nickel- bzw. einer Nickellegierung, Radscheibe aus Titan- bzw. einer Titanle­ gierung) nicht praktizieren; d.h., eine innige und haltbare Verbindung konnte bisher nicht dargestellt werden; es zeigten sich spröde Phasen im Schweißnahtbereich; auch die vergleichs­ weise zeitlich langen Schweißvorgänge und die sich beim Schweißen bemerkbar machenden Wärmedehnungsunterschiede der beiden vergleichsweise extrem unterschiedlichen Werkstoff­ arten standen einer haltbaren Verbindung offensichtlich im Wege.

Aus der DE-PS 25 10 286 ist zwar schon ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel-Scheiben-Verbindung bekannt, bei dem eine überwiegend aus Stahl gefertigte Radscheibe mit einer überwiegend aus Titan gefertigten Schaufel über ein plattenförmiges Verbundteil (Titan/Stahl) verschweißt werden soll, wobei das Verbundteil für sich durch Spreng­ schweißung hergestellt werden soll. Dieser bekannte Fall befaßt sich jedoch nicht mit einer serienmäßig optimalen Herstellbarkeit einer Verbindung von Rotorradscheiben zu einer Rotortrommel im Hinblick auf extrem unterschiedliche Temperatur- und Materialbeanspruchungen, und damit extrem unterschiedliche Radscheibenmaterialien (Titan- bzw. Titan­ legierung/Nickel- bzw. Nickellegierungen) unter weitest­ gehend möglicher Ausnutzung bzw. Aufrechterhaltung des Gewichtvorteils aus Titan bzw. einer Titanlegierung bei einer gemeinsamten Turbo-Komponente, z.B. einem Verdichter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem unter Auswahl und Anordnung unterschiedlichen betrieb­ lichen Beanspruchungen (Temperaturen, Kräfte) gewachsener Radscheibenpartner (Titan- bzw. Titanlegierung/Nickel- bzw. Nickellegierungen bzw. Nickelbasislegierung) eine betriebs­ sichere, für eine Serienfertigung einfachst durchführbare Radscheibenverbindung geschaffen wird.

Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen erfindungsgemäß gelöst.

Gemäß der Erfindung ist es also möglich, Verdichter- und /oder Turbinenrotoren radscheibenseitig im Hinblick auf eine noch zumutbare gute Kriechgrenze aus Titan- bzw. einer Titanlegierung zu fertigen und dort, wo die Kriechgrenze des Titans (bzw.-legierung) überschritten wird, eine oder mehrere Radscheiben aus Nickel- bzw. einer Nickellegierung einzusetzen.

Für die Serienfertigung sowie im Hinblick auf die hohe Be­ triebssicherheit der Verbindung der ungleichartigen Rad­ scheibenpartner ist die im Rahmen der Erfindung anfängliche "Doppelrohrherstellung" besonders vorteilhaft; sie ermöglicht von vorn herein eine maßliche Abstimmbarkeit (Wandstärken) auf die späteren Einbau- und Verbindungserfordernisse; sie ermöglicht ferner eine flächenmäßig günstige und homogene Langbauteilverschweißung (Sprengschweißung bzw. Explosiv­ schweißung) beider Rohrzylinder; es kann also davon ausge­ gangen werden, daß die vom Doppelrohr abgetrennten Verbund- bzw. Doppelringkörper absolut fest und gefügeinnig miteinan­ der verbunden sind. Nach entsprechender Nachbearbeitung steht ein Verbundteil zur Verfügung, das titanseitig mit der zugeordneten materialgleichen oder -artigen einen Radscheibe und nickelseitig mit der zugeordneten materialseitig gleichen oder gleichartigen anderen Radscheibe im Wege herkömmlicher Schweißverfahren (Diffusions-, Schmelz oder Reibschweißen) ohne jegliche Schwierigkeiten verbunden werden kann.

Im Wege der formgebenden Bearbeitung, gegebenenfalls aber auch hinsichtlich der Abtrennungslänge der betreffenden Verbund­ teile oder Doppelringkörper kann eine örtliche Übermaßbelas­ sung berücksichtigt werden, um etwaige örtliche, aus dem späteren Einschweißprozeß resultierende Materialschwin­ dungen oder Formschwankungen aus- bzw. abgleichen zu können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung (Anspruch 1) erge­ ben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 7.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäß hergestellte Verbindung - als Mittellängsschnitt dargestellt - zwi­ schen einer zur vorletzten Verdichterstufe ge­ hörigen Radscheibe aus einer Titanlegierung mit einer zur letzten Stufe des Verdichters ge­ hörigen Radscheibe aus einer Nickellegierung,

Fig. 2 einzelne Schritte des Herstellungsverfahrens an­ hand einer als Längsschnitt dargestellten oberen Hälfte eines durch Sprengschweißung miteinander verbundenen Doppelrohrs mit davon abtrennbaren Doppelringkörpern und

Fig. 3 einen in Achsrichtung verlaufenden Profilschnitt eines gemäß Fig. 2 aus der Abtrennung gewonnenen und auf Sollmaß zu einem Rotorzwischenring be­ arbeiteten Doppelringkörpers mit äußerem Dich­ tungskamm (Labyrinthdichtung).

Fig. 1 erläutert die Erfindung im Rahmen der herzustellenden Verbindung zwischen einer zur vorletzten Verdichterstufe gehörenden Laufradscheibe 1, die aus einer Titanlegierung ge­ fertigt ist und einer zur letzten Verdichterstufe gehörenden Laufradscheibe 2, die aus einer Nickellegierung gefertigt ist. An den Laufradscheiben 1 bzw. 2 befindliche Laufschaufeln sind mit 3 bzw. 4 bezeichnet. Zur letzten Verdichterstufe ge­ hörende Leitschaufeln, die außen am Gehäuse 5 des Verdichters festgelegt sind, sind mit 6 bezeichnet. Mit 7 ist in Fig. 2 ein als Zwischenring hier fertig ausgebildeter Doppelring­ körper bezeichnet, der aus zwei Ringbauteilen 8, 9 zusammen­ gesetzt ist.

Für die Herstellung eines oder mehrerer derartiger Doppelring­ körper wird gemäß Fig. 2 ein Doppelrohr 10, das aus koaxial ineinandergeschobenen Einzelrohren 11 und 12 zusammengesetzt ist, entlang der Linie S durch Sprengschweißung miteinander verbunden; dabei ist das eine Einzelrohr 11 aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt, das andere Einzelrohr 12 aus Nickel oder einer Nickellegierung bzw. gegebenenfalls aus einer Nickelbasislegierung gefertigt.

Nach erfolgter Herstellung dieses Doppelrohrs 10 werden gefügeinnig fest und betriebssicher durch die genannte Spreng­ schweißung miteinander verbundene Doppelringkörper 7 bzw. 13 und 14 in der geforderten Baulänge (Grobmaß) entlang der Linien L₁, L₂ und L₃ vom Doppelrohr 10 abgetrennt.

Hierauf kann der auch beispielhaft für Fig. 1 repräsentative Doppelringkörper 7 gemäß Fig. 3 vorzugsweise spanabhebend auf das erforderliche Sollmaß bearbeitet werden. Entsprechend dem Anordnungs- und Anforderungsbedarf nach Fig. 1 schließt die spanabhebende Bearbeitung nach Fig. 3 eine räumlich versetzt örtliche Ausbildung der seitlichen Enden mit End­ flächen E1, E2 des einen und des andereren Ringbauteils 8 bzw. 9 vor.

Die spanabhebende Bearbeitung gemäß Fig. 3 schließt ferner die Ausbildung eines labyrinthartigen Dichtungskammes K am Ringbauteil 8 ein.

Nach spanabhebender Fertigbearbeitung wird der betreffende Doppelringkörper 7 (Fig. 3) entlang der seitlich außen liegenden Endflächen E1 und E2 mit flächenmäßig darauf ab­ gestimmt seitlich herausragenden Wandabschnitten 13′ bzw. 14′ (Fig. 1) der Laufradscheiben 2 bzw. 1 verschweißt, z.B. durch Schmelz- oder Reibschweißen oder ein anderweitiges gängiges Schweißverfahren, wie z.B. das Elektronenstrahl­ schweißen; es werden dabei also das z.B. aus einer Nickel­ legierung bestehende eine bzw. hier obere Bauteil 8 entlang E1 mit dem gleichen oder gleichartigen Partner (Radscheibe 2 aus Nickellegierung) und das z.B. aus einer Titanlegie­ rung bestehende andere oder hier untere Bauteil 9 entlang E2 mit dem gleichen oder gleichartigen Partnern (Radscheibe 1 aus einer Titanlegierung) verschweißt.

Die genannten Leitschaufeln 6 nach Fig. 1 sind zu einem Leitgitter mit Innenring 15 zusammengesetzt, der einen mit dem Dichtlabyrinth K (Fig. 3) zusammenwirkenden Anlauf­ belag trägt; es wird so eine Rotor-/Stator-Dichtung ausge­ bildet.

Insbesondere im Hinblick auf die spanabhebende Gestaltung des äußeren Ringbauteils 8 (Fig. 3) als rotierenden Teil einer Labyrinth-Dichtung (Dichtungskamm K) wurde vorteil­ haft schon bei der Herstellung des Doppelrohrs 10 (Fig. 2) eine größere Wandstärke W1 des Einzelrohrs 12 gegenüber der­ jenigen des anderen Einzelrohrs 11 zugrunde gelegt.

Für die Durchführung der Sprengschweißverbindung nach Fig. 2 kann für das innere Rohr 11 z.B. eine Titanlegierung zu­ grunde gelegt werden, die in der Fachsprache auch als so­ genannte "Titan-Knetlegierung" bezeichnet wird. Die chemi­ sche Zusammensetzung (Massenanteile in %) dieser Legierung kann etwa wie folgt veranschlagt werden: Al=6; Mo=2; Sn=2; Zr=4 sowie gegebenenfalls äußerst geringfügige Massenanteile an C; Fe; N₂; O₂ sowie Si; Rest=Titan=85. Aus dieser bzw. einer sehr ähnlichen oder gleichartigen Titanlegierung kann die betreffende Radscheibe 1 gefertigt sein.

Für das äußere Rohr 12 in Fig. 2 kann eine zur spanabheben­ den Verformung bzw. Bearbeitung geeignete, hochwarmfeste Nickellegierung verwendet werden. Die chemische Zusammen­ setzung dieser Legierung kann etwa wie folgt veranschlagt werden (Massenanteile in %): Ni=50; M=3; Nb+Ta=5; Ti=1; Al=0,5; Co=0,5; Cr=18 sowie äußerst geringfügige Anteile u.a. an C; Si; Mn; P; S und Ag; Rest= Fe=20%. Aus dieser sehr ähnlichen oder gleichartigen Nickellegierung kann die betreffende Radschei­ be 2 (Fig. 1) gefertigt sein.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen einer aus Titan oder einer Titanlegierung und einer aus einer Nickellegierung bestehenden Radscheibe eines Turbomaschi­ nen-, insbesondere Verdichterrotors, dadurch gekennzeich­ net, daß aus einem aus Titan oder einer Titanlegierung bestehenden ersten Rohr (11) und einem konzentrisch dazu angeordneten, aus einer Nickellegierung bestehenden zweiten Rohr (12) durch Sprengschweißung ein Doppelrohr (10) gebildet wird, von dem durch Abtrennen von Ab­ schnitten Doppelringkörper (7) geschaffen werden, die ti­ tanseitig mit der Titan- oder Titanlegierungsradscheibe (1) und nickellegierungsseitig mit der aus der Nickel­ legierung bestehenden Radscheibe (2) verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschweißung des Doppelringkörpers (7) mit dem zu­ gehörigen materialartig gleichen oder gleichartigen Rad­ scheibenpartner durch Schmelz- oder Reibschweißung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelringkörper (7) vor der radscheibenseitigen Verschweißung auf Sollmaß, insbesondere spanabhebend, be­ arbeitet werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus jeweiligen Doppel­ ringkörpern (7) Rotorzwischenringe hergestellt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnittsteil (8) eines Doppelringkörpers (7) als rotierendes Teil einer Rotor- /Stator-Dichtung hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelrohr (10) aus zwei Rohren (11, 12) unterschiedlicher Wandstärke hergestellt wird, wobei aus dem einen mit der relativ größeren Wand­ stärke (W1) ausgestatteten Rohr (12) die mit einer Dichtkörperkonturierung versehenen Abschnittsteile (8) eines Doppelringkörpers (7) hergestellt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hergestellten Doppel­ ringkörper (7) derartig bearbeitet werden, daß räumlich versetzt ausgebildete Flächenabschnitte (E1; E2) des einen und des anderen Abschnittsteils (8, 9) vorliegen, die mit flächenbündig kooperierenden Rotorabschnitten (13′; 14′) der einen bzw. anderen Radscheibe (2; 1) mate­ rialseitig gleich oder gleichartig aufeinander abge­ stimmt verschweißt werden.