DE69302567T2

DE69302567T2 - Verfahren zur herstellung eines turbinenrads mit axialeingefugten schaufeln und turbinenrad nach diesem verfahren

Info

Publication number: DE69302567T2
Application number: DE69302567T
Authority: DE
Inventors: Georges Vandendriessche
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2013-10-28
Also published as: DE69302567D1; US5536145A; CA2126666C; WO1994010426A1; FR2697284B1; EP0618996A1; JP3333514B2; CA2126666A1; JPH07504257A; FR2697284A1; EP0618996B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hybriden Turbinenrades mit Schaufeln aus Verbund- oder Keramikmaterial, die an einer Metallnabe befestigt sind, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Turbinenrad mit eingesetzten Schaufeln, das sowohl auf dem industriellen Sektor wie auch auf dem Gebiet der Luftfahrt und Raumfahrt Anwendung findet.
Es sind bereits, insbesondere aus den Schriften EP-A-0 176 386, FR-A-2 637 319 und FR-A-2 476 766, einstückige Turbinenräder bekannt, deren Nabe und Schaufeln gänzlich aus Verbundmaterialien hergestellt werden. Diese Turbinenräder haben den Vorteil, daß sie leicht sind, jedoch ist ihre Herstellung schwierig, denn die Merkmale der Festigkeit der Verbundfasern in einer einheitlichen Richtung müssen an das Feld der in mehreren Richtungen verlaufenden Belastungen, das in einer aus einer Scheibe und Schaufeln bestehenden Gesamtanordnung vorhanden ist, angepaßt werden, und es bestehen Probleme hinsichtlich des Gewichtsausgleichs.
Bei dieser Art von Turbinenrad müssen auch die Eigenschaften beim Scheren und Verformen der Matrix sowie die der Fasern berücksichtigt werden, und es besteht die Gefahr des Abtrennens der Schaufeln am Nabenkranz.
Es sind auch, insbesondere aus den Schriften FR-A-2 608 674, EP-A-0 367 958 und US-A-4 326 835, kombinierte Turbinen mit Schaufeln aus Verbund- oder Keramikmaterialien bekannt, deren Fuß dazu vorgesehen ist, in eine Metallnabe eingesetzt werden zu konnen.
Bei dieser Art von Turbine werden die Schaufeln als getrennte Bestandteile hergestellt und sodann am Umfang einer Metallscheibe eingesetzt und mit Verbindungen, beispielsweise mit Schwalbenschwanzverbindungen, verriegelt.
In Anbetracht dessen, daß die Schaufeln keine einfache Geometrie besitzen, da der Fuß schwalbenschwanzförmig oder tannenfußförmig ist, bereitet die Bearbeitung des Verbundmaterials gewisse Schwierigkeiten, und der Zusammenbau mit der Nabe ist problematisch in der Ausführung.
Es sind ferner vollkommen metallische Turbinenrotoren bekannt, die eine nicht unbeträchtliche Masse aufweisen und aufgrund der Art ihres Zusammenbaus nur beschränkte Drehgeschwindigkeiten zulassen.
Diese Erfindung hat die Aufgabe, die obengenannten Nachteile der bekannten Turbinenräder zu beseitigen und insbesondere eine vereinfachte Herstellung von Turbinenrädern zu erlauben, welche eine bessere mechanische Festigkeit aufweisen und geeignet sind, hohen Drehgeschwindigkeiten unter schwierigen Außenbedingungen standzuhalten.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades mit Schaufeln aus Verbund- oder Keramikmaterial, die in eine Metallnabe eingesetzt sind, gelost, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus den folgenden Verfahrensschritten besteht:
a) es werden Schaufeln aus Verbund- oder Keramikmaterial hergestellt, die jeweils eine im wesentlichen gerade, zylindrische Form mit einem Querschnitt haben, der ein nicht kreisformiges, vorbestimmtes Profil aufweist, und es wird eine Bohrung ausgeführt, die im wesentlichen senkrecht zu der Schaufelachse in deren Fuß verläuft,
b) es wird ein geschlossener, zylinderf6rmiger Ring mit vorbestimmter Höhe gebildet, der der Breite der Radnabe entspricht und Öffnungen aufweist, die dem genannten vorbestimmten Profil der Schaufeln entsprechen,
c) die Schaufelfüße werden in die genannten Öffnungen des zylinderformigen Rings, der den Nabenkranz bildet, eingesetzt,
d) die Füße der einzelnen Schaufeln werden in dem zylinderförmigen Ring nacheinander auf einen offenen, ringförmigen, starren Metalldraht aufgefädelt, dessen Durchmesser kleiner ist als der des zylinderförmigen Rings, und der durch die in den Füßen der Schaufeln gebildeten Bohrungen verläuft, e> die Gesamtanordnung, die aus den Schaufeln, dem zylinderförmigen Ring und dem ringförmigen, starren Metalldraht besteht, wird in einem dichten Gehäuse angeordnet, nachdem herausnehmbare Streben oder Einsätze zwischen die Köpfe der Schaufeln eingefügt wurden, die in radialer Richtung nach außen über den genannten zylinderförmigen Ring wieder austreten,
f) es wird eine isostatische Warmverdichtung durchgeführt, um ein Metallegierungspulver zu verdichten, das in das dichte Gehäuse eingeführt wird, um die Nabe des Turbinenrades herzustellen, indem die Schaufelfüße und der ringförmige, starre Metalldraht nach der Pulvermetallurgietechnik versenkt werden, und
g) der äußere Teil des dichten Gehäuses, der die Nabe des Turbinenrades umgrenzt, wird hergestellt und die genannten abnehmbaren Streben werden entfernt.
Durch die Verbindung der Schaufeln, die durch den starren Metalldraht festgehalten werden, der durch ihren Fuß verläuft, kann ein wirksamer Halt der Schaufeln sowohl bei der Montage wie auch beim endgültigen Einsetzen, bei dem die Schaufelfüße und der starre Metalldraht in der durch isostatische Warmverdichtung hergestellten Nabe aus Metallegierung eingebettet werden, gewährleistet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Herstellung von Schaufeln "am laufenden Meter" erfolgen. So wird gemäß einem besonderen Merkmal dieser Erfindung in einem einzigen Vorgang eine große Länge an zylinderförmigem Verbund- oder Keramikmaterial gefertigt, die einen Querschnitt mit vorbestimmtem, gleichmäßigem Profil aufweist, und dann die genannte große Länge an Verbund- oder Keramikmaterial in einzelne Schaufeln zertrennt.
Der Herstellungsprozeß der Schaufeln mit einer "Meterwarentechnik" vereinfacht die Herstellung sehr, verglichen mit Schaufeln aus Verbundmaterial, die eine komplexe Form mit einem schwalbenschwanzförmigen oder tannenfußförmigen Fuß aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erbringt eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Rades im Rahmen eines kombinierten Produkts, das durch die Schaufeln aus Verbundmaterial bei hohen Temperaturen eine gute Kriechfestigkeit, Haltbarkeit gegen Oxidation und gegen Vibrationen aufweist und durch die Metallnabe eine gute Haltbarkeit gegen Ermüdung bei mittleren Temperaturen aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine gute Haftung der Schaufeln aus Verbundmaterial mit dem verdichteten Metall her. Es verleiht Festigkeit bei hoher Drehgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1000 Umdrehungen pro Sekunde und bei hoher Temperatur.
Der geschlossene zylinderförmige Ring, der einen Nabenkranz bildet, besteht vorteilhafterweise aus Metall, kann aber auch aus einem Verbund- oder Keramikmaterial bestehen.
Die Öffnungen, die dem vorbestimmten Profil der Schaufeln entsprechen, können durch Ausschneiden aus einem bereits vorgeformten zylinderförmigen Ring gebildet werden.
Jedenfalls können zur Herstellung eines geschlossenen zylinderförmigen Metallrings zunächst aus einem flachen Metallband mit vorbestimmter Breite, die der Breite der Radnabe entspricht, Öffnungen ausgeschnitten werden, die dem genannten vorbestimmten Profil der Schaufeln entsprechen, und sodann das mit den Öffnungen versehene Metallband in einen geschlossenen zylinderförmigen Ring umgeformt werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform erfolgt nach Herstellung der Gesamtanordnung, die aus den Schaufeln, dem zylinderförmigen Ring aus Metall oder Verbundstoff und dem ringförmigen, starren Metalldraht (30) besteht, ein Vorgang des Lötens zwischen den Schaufelfüßen und dem zylinderförmigen Ring aus Metall oder Verbundstoff, und das dichte Gehäuse wird auf den zylinderförmigen Ring aus Metall oder Verbundstoff gesetzt, wobei sich nur die Schaufelfüße und der starre Metalldraht im Inneren des dichten Gehäuses befinden, in dem der Vorgang der isostatischen Warmverdichtung durchgeführt wird.
In diesem Fall werden die Schaufelfüße und ggf. der zylinderförmige Ring, falls dieser aus Verbundstoff besteht, vor dem Lötvorgang vorteilhafterweise mit einer Schicht aus einem Abdichtungsmaterial und/oder einer Diffusionssperre beschichtet.
Bei einer anderen Ausführungsart wird die isostatische Warmverdichtung in einem dichten Gehäuse durchgeführt, das die Gesaintanordnung, die aus den Schaufeln, dem zylinderförmigen Ring, dem-ringförmigen, starren Metalldraht und den Streben oder Einsätzen besteht, umschließt.
Diese Lösung ist besonders einfach, da sie kein Löten um die Schaufeln herum erfordert und kein Dichtigkeitsproblem aufwirft. Es müssen einfach nur Einsätze aus Metall oder Keramik, die zwischen den Schaufeln Streben bilden, außerhalb des zylinderförmigen Rings vorgesehen sein, um eine Druckverformung der Schaufeln zu vermeiden, indem der Druck von diesen Einsätzen aufgenommen wird.
Die isostatische Warmverdichtung wird vorteilhafterweise bei einer Temperatur der Größenordnung von 1000 ºC und unter einem Druck der Größenordnung von 1000 Bar durchgeführt. Diese Bedingungen hängen von dem zur Herstellung der Nabe verwendeten Material ab.
Unabhängig von der in Frage kommenden Ausführungsart kann das bei der Durchführung der isostatischen Warmverdichtung verwendete Metallegierungspulver vorteilhafterweise von der gleichen Art sein wie das Material, aus dem der starre Metalldraht besteht, wodurch eine hohe Homogenität der Nabe gewährleistet wird. Die Wahl anderer Materialien ist jedoch je nach den angestrebten Anwendungen ebenfalls möglich.
Um das Auffädeln der Schaufelfüße auf den ringförmigen, starren Metalldraht zu ermoglichen, ist dessen Öffnung etwas größer als die Dicke einer Schaufel, d. h. als die Tiefe einer in einem Schaufelfuß gebildeten Bohrung.
In Endposition kann sich eines der Enden des ringförmigen, starren Metalldrahts im wesentlichen in halber Tiefe der in einem Schaufelfuß gebildeten Bohrung befinden. Bei einer Ausführungsvariante befinden sich in Endposition die beiden Enden des ringförrnigen, starren Metalldrahts zwischen zwei Schaufeln und weisen eine Klammerverbindung auf.
Vorteilhafterweise wird bei jedem Schaufelkopf auf dem gegenüber dem zylinderförmigen Metallring hervorstehenden Teil eine spezielle Schutzschicht gegen Oxidieren und Korrosion durch aggressive Stoffe aufgetragen.
Die Erfindung betrifft auch ein einstückiges Turbinenrad heterogener Zusammensetzung mit Schaufeln aus Verbund- oder Keramikmaterial, die in eine Metallnabe eingesetzt sind, das insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrt oder Raumfahrt zur Anwendung kommt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schaufeln jeweils eine im wesentlichen gerade, zylindrische Form mit einem Querschnitt haben, der ein nicht kreisförmiges, vorbestimmtes Profil aufweist, und jeweils einen in der Metallnabe versenkten Schaufelfuß aufweisen, der mit einer Bohrung versehen ist, die im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Schaufel verläuft, wobei durch alle Bohrungen der einzelnen Schaufelfüße ein Metallelement verläuft, das in der Nabe versenkt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsarten, die als nicht einschränkende Beispiele gelten, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, wobei
- Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Teils eines erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelbeispiels zeigt,
- Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Beispiels einer Schaufel aus Verbundmaterial zeigt, die in ein erfindungsgemäßes Turbinenrad eingebaut werden kann,
- Fig. 3 eine Ansicht eines Abschnitts eines flachen Metallbandes mit Öffnungen für den Durchlaß von Schaufeln zeigt,
- Fig. 4 eine Perspektivansicht eines flachen Metallbandes mit Öffnungen nach seiner Formung zum geschlossenen, zylinderförmigen Ring zeigt,
- Fig. 5 eine Ansicht im Axialschnitt ist, die den Einbau einer Schaufel in eine Öffnung des Rings von Fig. 4 und den Eingriff eines starren Drahtes zum Festhalten des Schaufelfußes zeigt,
- Fig. 6 eine Grundrißansicht ist, die den Vorgang des Eingreifens der Schaufeln in den Ring von Fig. 4 und des Auffädelns der Schaufelfüße auf einen offenen ringförmigen starren Draht zeigt,
- die Figuren 7A und 7B ein mögliches Beispiel für die beiden letzten Schritte des Auffädelns von Schaufelfüßen auf einen offenen ringförmigen starren Draht zeigen,
- Fig. 8 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Zusammenbaus zeigt, der aus Schaufeln aus Verbundmaterial besteht, die in einen zylinderförmigen Ring eingesetzt sind und mit den Füßen auf einen metallenen Haltedraht aufgefädelt sind,
- Fig. 9 eine radiale Schnittansicht des Zusammenbaus von Fig. 8 zeigt, welcher sich zur Durchführung einer isostatischen Warmverdichtung in einem Gehäuse befindet,
- Fig. 10 eine Detailansicht im Radialschnitt ist, die das Anlöten einer Schaufel an einem zylinderförmigen Ring zeigt,
- Fig. 11 eine perspektivische Detailansicht mit axialem Halbschnitt von einer Schaufel zeigt, die zur Durchführung eines Arbeitsvorgangs zur Herstellung der Nabe durch isostatische Warmverdichtung von einem Gehäuse umschlossen ist,
- Fig. 11A eine Detailansicht von einem Beispiel der Verbindung von zwei Teilen des Gehäuses von Fig. 11 zeigt,
- die Figuren 12 und 13 perspektivische Ansichten von zwei entgegengesetzten Seiten eines erfindungsgemäßen Turbinenrades mit einem Metallgehäuse zur Herstellung der Nabe durch isostatische Warmverdichtung zeigen, wobei Endabschnitte der Schaufeln herausstehen, und
- die Figuren 14 und 15 im Axialschnitt zwei Teile eines Gehäuses zeigen, die dazu vorgesehen sind, einen erfindungsgemäßen Zusammenbau wie den Zusammenbau von Fig. 8 aufzunehmen, um eine Nabe durch isostatische Warmverdichtung unter Einschluß der gesamten Schaufeln im Inneren des Gehäuses herzustellen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einfache Weise ein einstückiges Turbinenrad heterogener Zusammensetzung hergestellt werden, das im wesentlichen aus Schaufeln 16 aus Verbundstoff mit Verbund-Matrix besteht, welche in eine Metallnabe 40 eingesetzt werden, die mittels Sintertechnik hergestellt wird.
Die Schaufeln aus Verbundmaterial können beispielsweise aus Kohlenstoff-Kohlenstoff oder aus Kohlenstoff-Siliziumkarbid hergestellt werden.
Die Schaufelköpfe 17, die aus den Abschnitten der Schaufeln bestehen, die aus der Nabe 40 hervorstehen, können mit einer speziellen Schutzschicht gegen Oxidation und Korrosion durch aggressive Stoffe (wie z. B. Wasserstoff oder Ergole) überzogen werden. Die Schutzschicht kann selbst zum Abdichten des Verbundmaterials dienen.
Die in der Nabe 40 versenkten Schaufelfüße 18 können ebenfalls zuvor mit einer Schicht aus einem Dichtungsmaterial oder einer Diffusionssperre uberzogen werden.
Die Nabe 40 kann aus einer Legierung, z. B. auf Nickel-, Titan- oder Eisenbasis ausgeführt werden. Das Herstellungsverfahren kann jedenfalls leicht an sehr unterschiedliche Legierungen angepaßt werden.
Die Schutzschicht, Diffusionssperrschicht oder Dichtungsschicht der Schaufeln 16, die Stärken von einigen Hundertstel Millimetern bis zu einigen Millimetern aufweisen können, können durch verschiedene Techniken - wie z. B. Plasmaabscheidung, Galvanisierung, Gasphasenabscheidung in chemischem oder physikalischem Verfahren (CVD- oder PVD-Verfahren), Ablagerung durch Aufstreichen - hergestellt werden.
Die auf den Schaufelfüßen 18 aufgebrachten Abdichtungsoder Diffusionssperrschicht oder -schichten können auch dazu beitragen, die Verbindungsfläche zwischen dem metallenen Material der Nabe und dem Verbundmaterial der Schaufel zu verbessern und können insbesondere zwischenstufliche chemische Zusammensetzungen aufweisen, bei denen die Unterschiede im Dehnungsverhalten der beiden Materialien, aus denen die Schaufeln 16 und die Nabe 40 bestehen, berücksichtigt sind. Zum Beispiel kann eine Abdichtungs- oder Diffusionssperrschicht aus einer Legierung auf Kupfer- und Nickelbasis bestehen.
Gemäß einem Hauptmerkmal dieser Erfindung weisen die Schaufeln 16 eine im wesentlichen gerade, zylindrische Form mit einem Querschnitt, der ein nicht kreisförmiges, vorbestimmtes Profil ergibt, auf.
In den Figuren 1 und 2 sind Schaufeln 16 dargestellt, die halbmondförmige Querschnitte aufweisen. In den Figuren 8, 9, 12 und 13 sind hingegen Schaufeln 16 mit rechtwinkeligem Querschnitt dargestellt, die dadurch eine sehr einfache Parallelepipedform aufweisen.
Es sind jedoch je nach den beabsichtigten Anwendungen verschiedene andere Querschnittformen möglich.
Wenn die Schaufeln einzeln geformt werden können, dann ist es aufgrund ihrer zylindrischen Form auch möglich, sie gleichzeitig in großer Anzahl aus einer einzelnen zylindrischen Stange herzustellen, die das gewünschte Profil aufweist und dann einfach in Abschnitte zerschnitten wird, die jeweils einer Schaufel entsprechen. Diese "Meterwarentechnik" wurde dadurch möglich, daß die Schaufelfüße nicht wie bei den bestehenden Ausführungen schwalbenschwanzförmig oder tannenf örmig ausgeführt sein müssen und das Profil der Schaufel durch einfaches Stapeln von Fasern hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß genügt es, in jedem Schaufelfuß 18 senkrecht zur Längsrichtung der Schaufel 16 eine Bohrung 19 auszuführen, um einen starren Metalldraht 30 einführen zu können (Fig. 1), der die Montage der einzelnen Schaufeln 16 und zugleich ihren Halt bei der Formung der Nabe 40 gewährleistet, wie später noch erläutert wird. Bei dieser Art von Montage wird die Herstellung von kompliziert geformten Schaufelfüßen 18 vermieden und gleichzeitig die mechanische Festigkeit verbessert.
Parallel zur Fertigung der Schaufeln 16 erfolgt die Fertigung eines flachen Rings aus Metall oder Verbundstoff 20, der dazu vorgesehen ist, den Nabenkranz des Turbinenrades zu bilden, aus dem die in die Nabe 40 eingesetzten Schaufeln 16 hervorstehen.
Dazu kann mit einem flachen Metallband 20 begonnen werden, in dem eine Reihe von regelmäßig beabstandeten Öffnungen 21 ausgeschnitten wird, die jeweils das gleiche Profil wie die Schaufeln 16 aufweisen (Fig. 3). Das Ausschneiden kann mit verschiedenen Verfahren wie z. B. Stanzen, Elektroerosion, Laser- oder Wasserstrahlschneiden oder auch herkömmlicher Bearbeitung erfolgen.
Es werden sodann Abschnitte des mit Öffnungen 21 versehenen flachen Metallbandes in die Form eines Rings 20 gebracht und die beiden Enden des zu einem Ring geformten Bandabschnitts werden in einem Bereich 22 fest miteinander verbunden (Fig. 4) beispielsweise durch Schweißen.
Bei einer Ausführungsvariante werden Abschnitte des flachen Metallbandes zunächst abgeschnitten und in die Form eines geschlossenen Rings 20 gebracht, und dann werden aus dem geschlossenen zylinderförmigen Ring 20 Öffnungen 21 ausgeschnitten.
Der zylinderförmige Ring 20 kann auch aus Verbundmaterial hergestellt werden, wobei eine Reihe von regelmäßig beabstandeten Öffnungen 21 in dem Ring beispielsweise nach einem der oben genannten Verfahren hergestellt wird.
Nach Herstellung der Schaufeln 16 und eines geschlossenen, zylinderförmigen Rings 20 mit Öffnungen 21 wird der Ring 20 in einem Montageorgan 210 angeordnet (Fig. 5), das beispielsweise aus einem zylinderförmigen zentralen Kern 211 und einem zylinderförmigen Außenring 212, der koaxial zu dem Kern 211 angeordnet ist und mit diesem durch einen scheibenförmigen Außenflansch 213 verbunden ist, besteht. Der zylinderförmige Ring 20 wird in den zylinderförmigen Außenring 212 eingeführt, der diesen in seiner Stellung hält. Die Schaufeln 16 werden nacheinander in die Öffnungen 21 des zylinderförmigen Rings 20 eingeführt, bis sie gegen den zentralen Kern 211 stoßen, der als Zentrieranschlag für die Schaufelfüße 18 dient.
Mit jedem Einsetzen einer weiteren Schaufel 16 in den zylinderförmigen Ring 20, der den Nabenkranz bildet, wird ein offener, ringförmiger, starrer Metalldraht 30, der vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweist, weiter in die Bohrungen 19 der Schaufeln 16 eingeführt.
Auf diese Weise werden die Füße 18 der Schaufeln 16 nacheinander auf den ringförmigen Metalldraht 30 aufgefädelt, der einen kleineren Durchmesser aufweist als der zylinderförmige Ring 20 und dazu vorgesehen ist, danach in der Nabe 40 des Turbinenrades versenkt zu werden. Der unterbrochene Teil des Metalldrahts 30 in Form eines Torus oder mit rechteckigem Querschnitt weist ein Maß auf, das etwas größer ist als die Dicke eines Schaufelfußes 18, so daß ein Schaufelfuß 18 zwischen den beiden freien Enden 31, 32 des starren Drahts 30 in Eingriff gebracht werden kann (Fig. 6).
Das Verschieben des Drahtes 30 durch die in den Schaufelfüßen 18 ausgeführten Bohrungen 19 kann mittels eines Mechanismus 220 erfolgen, der gegenüber der Montagehalterung 210 angeordnet ist, bezüglich einer Achse 240 auf dem zentralen Kern 211 zentriert ist und eine Zange 230 umfaßt, die in eine Auskehlung 34 eingreifen kann, welche in der Nähe eines ersten freien Endes 31 des Metalldrahts 30 gebildet ist. Die Figuren 7A und 7B zeigen ein Beispiel für einen beendeten Vorgang des Einf ädelns des Drahts 30 in die Bohrung 19 der letzten einzusetzenden Schaufel 16. Ein zylinderförmiger Einsatz 33 mit gleichem Durchmesser wie der Draht 30 wird in die Bohrung 19 der Schaufel 16 eingeführt, und die Schaufel 16 wird dergestalt angeordnet, daß die Bohrung 19 sich zwischen den freien Enden 31 und 32 des Drahts 30 befindet (Fig. 7A). Durch Drehen des Drahts 30 wird ein freies Ende 32 bis zur halben Tiefe in die Bohrung 19 eingeführt, wobei es den Einsatz 33 verschiebt und auf diese Weise den festen Halt der Schaufel 16 gewährleistet (Fig. 7B).
Gemäß einer Ausführungsvariante befinden sich am Ende des Vorgangs des Auffädelns der Schaufeln 16 auf den Draht 30 die beiden freien Enden 31, 32 des Drahts 30 zwischen zwei Schaufeln 16 und weisen eine Klammerverbindung auf.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Zusammenbaus nach Beendigung des Schrittes des Einsetzens der Schaufeln 16 in den zylinderförmigen Außenring 20 und des Auffädelns der Schaufelfüße 18 auf den ringförmigen, starren Draht 30. Bei dem Beispiel von Fig. 8 wurden fünfzehn radial verlaufende Schaufeln 16 dargestellt, die die Form eines Parallelepipeds haben und gleichmäßig verteilt auf dem zylinderförmigen Außenring 20, der den Nabenkranz des Turbinenrades umgrenzt, angeordnet sind. Der innere Metalldraht 30 gewährleistet den festen Halt der Schaufelfüße 18, die dazu gedacht sind, in der Metallnabe versenkt zu werden. Die Anzahl der Schaufeln 16 kann selbstverständlich je nach Verwendung und Abmessungen des Turbinenrades eine andere sein als fünfzehn.
Der in Fig. 8 dargestellte Zusammenbau bildet das Gerippe des Turbinenrades und muß sodann in ein dichtes Gehäuse eingesetzt werden, damit eine Metallnabe mit der Sintertechnik hergestellt werden kann.
Bei der Herstellung der Nabe sind mehrere Herstellungsweisen möglich.
Bei einer ersten möglichen Herstellungsweise, die in den Figuren 10, 12 und 13 dargestellt ist, wird mit einem Lötdraht 22 zwischen den Schaufeln 16 und dem Außenring 20 im Bereich der Öffnungen 21 eine Lötverbindung hergestellt, um die Dichtigkeit zwischen den Schaufeln 16 und dem Ring 20 zu gewährleisten. Die Schaufelfüße 18 wurden selbst zuvor abgedichtet oder haben vor ihrem Einbau eine Beschichtung erhalten, die die Funktion einer Diffusionssperre erfüllt, wie oben angegeben. Die Bohrungen 19 zur Aufnahme des Metalldrahts 30 sind ebenfalls vor ihrem Einbau abgedichtet worden oder mit einer Fassung versehen worden.
Wenn die Schaufeln 16 an den zylinderförmigen Außenring aus Metall oder Verbundstoff 20 angelötet sind, kann dieser den seitlichen Teil des Gehäuses bilden, das zur Herstellung der Nabe nach der Pulvermetallurgietechnik dient. In diesem Fall umfassen die Gehäuseelemente, die dem Zusammenbau von Fig. 8 hinzuzufügen sind, um ein dichtes Gehäuse zu bilden, einfach eine vordere Stimseite aus Metall 62 (Fig. 13) und eine hintere Stimseite aus Metall 61 (Fig. 12), die den von dem Außenring 20 umgrenzten zentralen Teil der Nabe verschliessen. Wie in den Figuren 12 und 13 zu sehen ist, können zwischen den Köpfen 17 der Schaufeln 16 vorübergehend Einsätze aus Metall oder Verbundstoffen 50, die Verstrebungen bilden, angeordnet werden, um die Kräfte zu beschränken, denen die Schaufeln 16 beim Vorgang der isostatischen Warmverdichtung ausgesetzt sein können. In diesem Fall kann sich einer der Gehäuseteile, wie z. B. die Rückseite 61, in radialer Richtung über den Außenring 20 hinaus erstrecken, um den Halt der Einsätze 50 zu gewährleisten, die jedoch bei dieser Ausführungsart außerhalb des Gehäuses verbleiben.
Nach Einfüllen eines Metallegierungspulvers 41 in das dichte Gehäuse wird eine isostatische Warmverdichtung beispielsweise bei 1000 ºC und unter ca. 1000 Bar durchgeführt.
Die Einsätze 50 werden sodann entfernt und das Gehäuse 61, 62 wird bearbeitet, um der Nabe des Turbinenrades 100 ihre endgültige Form zu geben. Die Schaufeln 16 erfordern ihrerseits lediglich geringe Nachbearbeitungen beim Auswuchten des Turbinenrades.
Es wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 9, 11, 11A, 14 und 15 eine weitere mögliche Ausführungsweise der Herstellung der Nabe mit der Sintertechnik beschrieben.
Bei dieser besonderen Ausführungsweise ist es nicht erforderlich, eine dichte Verbindung zwischen dem Außenring 20 und den Schaufeln 16 zu gewährleisten. Dafür müssen Einsätze 50, z. B. aus Metall oder Keramik, in allen freien Zwischenräumen zwischen den Schaufeln 16 angeordnet werden, und diese Einsätze müssen sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Schaufelköpfe 17, die über den Außenring 20 hinausragen, erstrecken (Fig. 9), um ein Zerquetschen der Schaufeln unter der Einwirkung der hohen Drücke zu vermeiden. Die Einsätze 50 können beispielsweise mit Bornitrid bestrichen werden, um zu vermeiden, daß sie an den Schaufeln 16 aus Verbundstoff oder am Außenring 20 haften, so daß sie nach dem Vorgang der isostatischen Warmverdichtung leichter entfernt werden können.
Bei dieser Ausführungsweise wird der gesamte Zusammenbau wie z. B. der von Fig. 8, dem Einsätze 50 hinzugefügt wurden, wie in Fig. 9 dargestellt, in ein dichtes Gehäuse 161, 162 eingebaut. Im Bereich der einzelnen Schaufeln 16 ist keinerlei besondere Dichtigkeit herzustellen, was zur Vereinfachung der Herstellung beiträgt. Das Gehäuse 161, 162 kann aus einem Boden 161 (Fig. 14) und einem Deckel 162 (Fig. 15) gebildet werden.
Der Boden 161 und der Deckel 162 bilden die Stirnseiten des Gehäuses mit zentralen Bereichen 163, 167, die einen Raum abgrenzen, der der eigentlichen Nabe, d. h. dem Raum im Inneren des Außenrings 20 entspricht. Die Außenbereiche 165, 168 des Bodens 161 und des Deckels 162 begrenzen einen schmaleren Raum, der der Breite der Köpfe 17 der Schaufeln 16 entspricht.
In den Figuren 11 und 15 wird mit der Bezugszahl 170 der Einfüllkanal in das Gehäuse für das Metallegierungspulver 41 bezeichnet.
Die beiden Teile 161, 162 des Gehäuses werden durch Schweissen z. B. im Bereich einer in dem Boden 161 außen umlaufenden Auskehlung 166 in die ein Rand 169 des Deckels 162 in Eingriff kommt (Fig. 11A), dicht miteinander verbunden.
Nach dem Vorgang der Warmverdichtung des Metallegierungspulvers 41 im Inneren des Gehäuses 161, 162 zur Herstellung der Metallnabe wird das Gehäuse 161, 162 durch Bearbeitung entfernt, die Einsätze 50 werden aus den freien Zwischenräumen zwischen den Schaufelköpfen 17 entfernt, und es erfolgt eine Endbearbeitung des Turbinenrades, um eine Auswuchtung herzustellen.
Der ringförmige Metalldraht 30 wird am Ende des Vorgangs der isostatischen Warmverdichtung in der Metallnabe versenkt und trägt nicht nur dazu bei, die Schaufeln während der isostatischen Warmverdichtungsphase in ihrer Stellung zu halten, sondern auch eine größere Festigkeit der Schaufeln gegen ein Herausreißen dieser unter Einwirkung der Zentrifugalkraft zu schaffen. Vorteilhafterweise besteht der Metalldraht aus dem gleichen Material wie das der isostatischen Warmverdichtung, um die Homogenität der Nabe zu verbessern, dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einfache Weise ein einstückiges Turbinen- oder Kompressorrad 100 von heterogener Zusammensetzung hergestellt werden, bei dem die in die Metallnabe 40 eingesetzten Schaufeln 16 aus Verbund- oder Keramikmaterial sehr einfache Formen aufweisen und auf wirksamere Weise in der Metallnabe 40 verankert werden können. Bei dem Endprodukt besitzen die Körper der Schaufeln 16, die von den aus der Nabe 40 herausragenden Schaufelköpfen 17 und den in der Metallnabe versenkten Schaufelfüßen 18 gebildet werden, jeweils eine im wesentlichen gerade, zylindrische Form mit einem Querschnitt, der ein nicht kreisförmiges, vorbestimmtes Profil aufweist. Jede Bohrung 19, die in einem Schaufelfuß 18 im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Schaufel 16 ausgeführt ist, ist mit dem durch sie hindurch verlaufenden Metalldraht 30 versehen und in der Nabe 40 versenkt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades mit Schaufeln aus Verbund- oder Keramikmaterial, die in eine Metallnabe eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß es aus den folgenden Schritten besteht:

a) es werden Schaufeln (16) aus Verbund- oder Keramikmaterial hergestellt, die jeweils eine im wesentlichen gerade, zylindrische Form mit einem Querschnitt haben, der ein nicht kreisförmiges, vorbestimmtes Profil aufweist, und es wird eine Bohrung (19) ausgeführt, die im wesentlichen senkrecht zu der Schaufelachse in deren Fuß (18) verläuft,

b) es wird ein geschlossener, zylinderförmiger Ring (20) mit vorbestimmter Höhe gebildet, der der Breite der Radnabe entspricht und Öffnungen (21) aufweist, die dem genannten vorbestimmten Profil der Schaufeln (16) entsprechen,

c) die Schaufelfüße (18) werden in die genannten Öffnungen (21) des zylinderförmigen Rings (20), der den Nabenkranz bildet, eingesetzt,

d) die Füße (18) der einzelnen Schaufeln (16) werden in dem zylinderförmigen Ring (20) nacheinander auf einen offenen, ringförmigen, starren Metalldraht (30) aufgefädelt, dessen Durchmesser kleiner ist als der des zylinderförmigen Rings (20), und der durch die in den Füßen (18) der Schaufeln (16) gebildeten Bohrungen (19) verläuft,

e) die Gesamtanordnung, die aus den Schaufeln (16), dem zylinderförmigen Ring (20) und dem ringförmigen, starren Metalldraht (30) besteht, wird in einem dichten Gehäuse (61, 62; 161, 162) angeordnet, nachdem herausnehmbare Streben oder Einsätze (50) zwischen die Köpfe (17) der Schaufeln (16) eingefügt wurden, die in radialer Richtung nach außen über den genannten zylinderförmigen Ring (20) wieder austreten,

f) es wird eine isostatische Warmverdichtung durchgeführt, um ein Metallegierungspulver (41) zu verdichten, das in das dichte Gehäuse (61, 62; 161, 162) eingeführt wird, um die Nabe des Turbinenrades (100) mittels Sintertechnik herzustellen, indem die Schaufelfüße (18) und der ringförmige, starre Metalldraht (30) versenkt werden, und

g) der äußere Teil des dichten Gehäuses (61, 62; 161, 162), der die Nabe des Turbinenrades (100) umgrenzt, wird gefertigt und die genannten abnehmbaren Streben (50) werden entfernt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einzigen Vorgang eine große Länge an zylinderförmigern Verbund- oder Keramikmaterial gefertigt wird, die einen Querschnitt mit vorbestimmtem, gleichmäßigem Profil aufweist, und dann die genannte große Länge an zylinderförmigem Verbund- oder Keramikmaterial in einzelne Schaufeln (16) zertrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zylinderförmige Ring (20) aus metallischem Material gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zylinderförmige Ring (20) aus Verbundmaterial gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Öffnungen (21), die dem genannten vorbestimmten Profil der Schaufeln (16) entsprechen, durch Ausschneiden aus einem bereits vorgeformten zylinderförmigen Ring (20) gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des geschlossenen zylinderförmigen Rings (20) zunächst aus einem flachen Metallband mit vorbestimmter Breite, die der Breite der Radnabe entspricht, Öffnungen (21) ausgeschnitten werden, die dem genannten vorbestimmten Profil der Schaufeln (16) entsprechen, und dann das mit den Öffnungen (21) versehene Metallband in einen geschlossenen zylinderförmigen Ring (20) umgeformt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Herstellung der Gesamtanordnung, die aus den Schaufeln (16), dem zylinderförmigen Ring (20) und dem ringförmigen, starren Metalldraht (30) besteht, ein Vorgang des Lötens zwischen den Schaufelfüßen (18) und dem zylinderförmigen Ring (20) erfolgt und das dichte Gehäuse (61, 62) auf den zylinderförmigen Ring (20) gesetzt wird, wobei sich nur die Schaufelfüße (18) und der starre Metalldraht (30) im Inneren des dichten Gehäuses (61, 62) befinden, in dem der Vorgang der isostatischen Warmverdichtung durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfüße (18) vor dem Lötvorgang mit einer Schicht aus einem Abdichtungsmaterial oder Diffusionssperrmaterial belegt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die isostatische Warmverdichtung in einem dichten Gehäuse (161, 162) durchgeführt wird, das die Gesamtanordnung, die aus den Schaufeln (16), dem zylinderförmigen Ring (20), dem ringförmigen, starren Metalldraht (30) und den Streben (50) besteht, umschließt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die isostatische Warmverdichtung bei einer Temperatur der Größenordnung von 1000 ºC und unter einem Druck der Größenordnung von 1000 Bar durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (16) aus Verbundstoffen des Typs Kohlenstoff-Kohlenstoff oder Kohlenstoff- Siliziumkohlenstoff hergestellt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das für die isostatische Warmverdichtung verwendete Metallegierungspulver (41) von gleicher Art ist wie das Material des ringförmigen, starren Metalldrahts (30).

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des ringförmigen, starren Metalldrahts (30) etwas größer ist als die Tiefe einer in einem Schaufelfuß (18) gebildeten Bohrung (19).

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Endposition eines der Enden (31, 32) des ringförmigen, starren Metalldrahts (30) im wesentlichen in halber Tiefe der in einem Schaufelfuß (18) gebildeten Bohrung (19) sitzt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Endposition die beiden Enden des ringförmigen, starren Metalldrahts (30) sich zwischen zwei Schaufeln (16) befinden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine isostatische Warmverdichtung mit einem Metallegierungspulver (41) auf Nickel-, Titan- oder Eisenbasis erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein dichtes Gehäuse (61, 62; 161, 162) aus einem ersten, den Boden bildenden Metallteil (61; 161), und einem zweiten, den Deckel bildenden Metallteil (62; 162) 1 die zusammengeschweißt werden, gebildet wird, und daß die isostatische Warmverdichtung durch eines der genannten ersten und zweiten Metallteile (61, 161; 62, 162) erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Schaufelkopf (17) auf den gegenüber dem zylinderförmigen Ring (20) hervorstehenden Teil eine spezielle Schutzschicht gegen Oxidieren und Korrosion durch aggressive Stoffe aufgetragen wird.

19. Einstückiges Turbinenrad heterogener Zusammensetzung mit Schaufeln (16) aus Verbund- oder Keramikmaterial, die in eine Metallnabe (40) eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (16) jeweils eine im wesentlichen gerade, zylindrische Form mit einem Querschnitt haben, der ein nicht kreisförmiges, vorbestimmtes Profil aufweist, und jeweils einen in der Metallnabe (40) versenkten Schaufelfuß (18) aufweisen, der mit einer Bohrung (19) versehen ist, die im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Schaufel (16) verläuft, wobei durch alle Bohrungen (19) der einzelnen Schaufelfüße (18) ein Metallelement (30) verläuft, das in der Nabe (40) versenkt ist.

20. Turbinenrad nach Anspruch 19 zur Verwendung auf dem Gebiet der Luftfahrt oder Raumfahrt.