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Keramische Laufschaufel Die Erfindung betrifft eine keramische Laufschaufel
für axial durchströmte Kreiselradmaschinen, insbesondere eine Keramikschaufel für
Gasturbinen, und befaßt sich mit Maßnahmen, um die bei dem verwendeten Werkstoff
erzielbare maximale mechanische Festigkeit in diesen keramischen Maschinenbauteilen
weitgehendst auszunutzen. Turbinenschaufeln, welche aus keramischen Massen gefertigt
werden, haben sich, was ihre Warmfestigkeit und Hitzebeständigkeit, d. h. also ihre
mechanische Festigkeit bei hohen Treibmitteltemperaturen anlangt, gegenüber metallischen
Schaufeln als wesentlich überlegen erwiesen. Auch ihre mechanische Zugfestigkeit
zur Beherrschung der im Betrieb auftretenden hohen Fliehkraftbelastung muß als durchaus
ausreichend und befriedigend angesehen werden. Dagegen ist der keramische Werkstoff
von sich aus sehr spröde und insbesondere gegen örtlich begrenzte und überhöhte
Druckspannungsspitzen sehr empfindlich. Solche gefährliche Überanstrengungen des
Schaufelmaterials können aber z. B. an den Anlageflächen des Schaufelfußes auftreten,
wenn Verlagerungen im Schaufelsitz stattfinden oder wenn sich eine solche Turbinenschaufel
im Betrieb unter dem Einfluß der Fliehkraft nachrichtet.
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Es ist bekannt, daß eine Keramikschaufel ihre größte Gestaltfestigkeit
nach dem keramischen Brand in unbearbeitetem Zustand besitzt. Leider ist es aber
nicht möglich, diese Maschinenbauteile mit den für einen befriedigenden Lauf erforderlichen
engen Maßtoleranzen sofort beim Brennvorgang herzustellen, weil die dabei sich einstellenden,
im Werkstoff selbst begründeten Schwind- oder
Verziebungserscheinungen
unvermeidlich sind. Man hat daher bereits vorgeschlagen, die notwendige Sitzgüte
der Anlageflächen am Schaufelfuß dadurch zu ermöglichen und einzustellen, däß man
auf die tragenden Flanken einer fertiggebrannten Keramikschaufel metallische oder
nichtmetallische Schichten oder Überzüge aufbringt. Diese werden sodann an Stelle
des darunterliegenden Keramikkörpers bearbeitet. Ein solcher Bearbeitungsvorgang
z. B. mittels Überschleifen der jeweiligen Anlageflächen ist jedoch umständlich,
weil hierfür die betreffende Schaufel in ihre wirkliche, im Betriebszustand vorhandene
Lage gebracht und nach ihrer tatsächlichen Schwerachse ausgerichtet sein muß, wenn
die Schaufelsitzflächen später im Betrieb überhaupt satt an den entsprechenden Stützflächen
der Läufernut aufliegen sollen. Dies macht vor allem eine Fliehkraftausrichtung
mit Fixieren der Schaufeln in einer eigenen Vorrichtung erforderlich. Die aufgetragenen
Stoffe müssen sowohl eine gute Haftfestigkeit als auch die Eigenschaft einer leichten
Bearbeitbarkeit besitzen; selbstverständlich wird von ihnen ebenso eine genügende
Druck- und Scherfestigkeit verlangt. Als nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren
indessen anzusehen, daß jene Überzüge in einem besonderen Arbeitsvorgang erst nach
dem keramischen Brand der Turbinenschaufel aufgetragen und die so gefertigten Schaufeln
in einer umständlichen und teuren Vorrichtung nachträglich noch bearbeitet werden
müssen. Außerdem sind die hierfür verwendeten Materialien (aufgespritzte oder aufgesinterte
Kupferschichten oder nichtmetallische, hitzebeständige Kitte) entweder der Keramik
oder dem Läuferscheibenwerkstoff gegenüber als artfremde Stoffe anzusprechen; hieraus
entstehen, abgesehen von eventuellen Unterschieden in den jeweiligen Wärmedehnungskoeffizienten
zusätzliche Komplikationen, z. B. chemischer Natur, bei der Befestigung von Keramikschaufeln
in einer stählernen Läuferscheibe.
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Weiter wurde bereits vorgeschlagen, die im Betrieb verschieden beanspruchten
Teile einer keramischen Turbinenschaufel, z. B. Schaufelblatt und Schaufelfuß, aus
verschiedenen keramischen Massen mit verschiedenartigen Eigenschaften herzustellen.
Dabei kann die Ausbildung in der Weise erfolgen, daß das der Temperatureinwirkung
am stärksten ausgesetzte Schaufelblatt aus einem keramischen Werkstoff mit ausgeprägten
Temperaturwechselbeständigkeitseigenschaften besteht, während beim Schaufelfuß,
welcher neben der Temperatureinwirkung im wesentlichen hohen mechanischen Beanspruchungen
ausgesetzt ist, ein warmfester keramischer Werkstoff anteilmäßig überwiegt. Nach
dem bekannten Vorschlag hüllt der temperaturwechselbeständige Werkstoff den mechanisch
widerstandsfähigeren und warmfesten Baustoff allseitig ein, so daß die dünneren
Schaufelblatteile hauptsächlich aus dem temperaturwechselbeständigen Werkstoff,
der dickere Schaufelfußabschnitt überwiegend aus dem mechanisch festen Material
besteht. Bei einer derart gestalteten Keramikschaufel werden sich aber beim Brennvorgang
die gleichen Unregelmäßigkeiten und Abweichungen im Schaufelsitz einstellen, so
daß auch hier zwecks Einstellen einer befriedigenden Anlage ein nachträglicher Bearbeitungsvorgang,
z. B. Überschleifen der jeweiligen Anlageflächen, vorgesehen werden muß.
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Zur Beherrschung der unübersichtlichen Einspannungsverhältnisse einer
Keramikschaufel in der Befestigungsnut eines Stahlläufers wurde außerdem bereits
der Vorschlag gemacht, die durch die Fliehkraft belasteten Stützflächen des Schaufelfußes
in Teilstützflächen aufzulösen, welche in ihrer Form, Größe und Verteilung verschieden
und den jeweiligen örtlichen Kräfteverhältnissen und Formveränderungen des Schaufelfußes
angepaßt werden können. Schließlich wurde auch noch eine Befestigungsmöglichkeit
von Keramikteilen an Körpern mit anderer Wärmedehnung, beispielsweise von keramischen
Leit- und Laufschaufeln in Gasturbinen bekannt, gemäß welcher zwischen dem Fuß der
Keramikschaufel und seiner metallischen Gegenstützfläche eine dünne Zwischenschicht
aus Filz, Glas- oder Schlackenwolle angeordnet wurde. Diese Zwischenschicht sollte
es ermöglichen, durch Änderung ihrer Dicke Dehnungsunterschiede elastisch zu verarbeiten.
Die bisher bekanntgewordenen Lösungen befriedigten jedoch nicht vollends den gestellten
Anforderungen, weil einerseits die Spannungsverteilung an den Anlageflächen noch
zu ungleichmäßig erfolgte und andererseits lose Zwischenschichten beim Turbinenbetrieb
mit seinen Temperaturschleifen beim An- und Auslaufen zum Wandern neigen.
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Zur Behebung der aufgezeigten Mängel und Schwierigkeiten werden gemäß
der Erfindung die Anlageflächen am Fuß einer keramischen Laufschaufel mit einer
in ihrer Struktur schaumigen und porösen Schutzschicht überzogen, welche beispielsweise
bereits vor dem keramischen Brande der Schaufel auf die entsprechenden Stellen derselben
aufgetragen und gemeinsam mit jener gebrannt wird. Die erfindungsgemäße Schutzschicht
kann dabei entweder aus einer nach dem keramischen Brande schaumigen, stark porösen
Glasur oder einer anderen geeigneten keramischen Masse bestehen. In Weiterausbildung
des eigentlichen Erfindungsgedankens ist es sodann noch möglich, daß die Anlageflächen
am Schaufelfuß der betreffenden Keramikschaufel zunächst in bekannter Weise mit
einer dichten Glasurschicht überzogen werden, auf welche dann eine weitere Schutzschicht
als splittartiger Auftrag angebracht wird.
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Treten nun bei einer in der angegebenen Weise behandelten keramischen
Schaufel zusätzliche, unkontrollierbare Belastungen des Schaufelfußes ein, wodurch
überhöhte, örtlich begrenzte Druckspannungsspitzen an der jeweiligen Anlagefläche
geweckt werden, so werden diese gefährlichen Überanstrengungen des Materials infolge
Einbrechens der Porenränder der schaumartigen Schutzschicht abgebaut und eine hinreichend
große, satt anliegende Auflage an der Stützfläche der
Läuferscheibe
hergestellt. Die anfangs punktförmige Berührung der beiden Bauteile wird dadurch
in die erforderliche flächenförmige Anlage hinreichender Größe und richtiger Orientierung
umgewandelt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Keramikschaufel
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine keramische Turbinenschaufel
in der Stirnansicht, Fig. 2 die gleiche Turbinenschaufel in der Seitenansicht.
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Die in den Fig. i und :2 abgebildete Laufschaufel einer Gasturbine
ist aus hoch warmfesten, keramischen Massen hergestellt. Das Schaufelblatt i ist
strömungstechnisch günstig profiliert und in sich verwunden. Der kräftige Schaufelfuß
2 weist zum Zweck einer temperaturunabhängigen und bei allen Betriebszuständen der
Turbine kraftschlüssigen Halterung der Schaufel in der Läufernut zwei Anlageflächenpaare
auf. Das Sitzflächenpaar 3 wird im Betrieb von der Fliehkraft der Schaufel belastet,
während das Gegenstückflächenpaar q. ausschließlich eine Stützfunktion hat, d. h.
die Aufrechterhaltung des Formschlusses zwischen Schaufelfuß und Läuferscheibe sicherstellt.
Auf das Sitzflächenpaar 3 ist eine besondere Schutzschicht 5 aufgebracht, welche
nach dem keramischen Brand eine schaumige, poröse Struktur aufweist. Diese Schutzschicht
5 wird in einer hinreichenden Stärke auf die Tragflanken des Schaufelfußes :2 aufgetragen.
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Für den Fall, daß für den Schaufelfuß bereits eine die Bauteilfestigkeit
steigernde, dichte Festigkeitsglasur vorgesehen ist, genügt es unter Umständen,
auf diesen einen Überzug die zweite Schutzschicht etwa als splittförmigen Auftrag
aufzubringen. Dies geschieht z. B. durch Aufstreuen oder durch Aufstreichen der
hierfür geeigneten keramischen Masse. Anschließend an dieses Aufbringen wird die
Keramikschaufel dem keramischen Brand unterworfen. Eine auf diese Weise hergestellte
vollkeramische Turbinenschaufel hat den Vorteil, daß sie frei von allen stofffremden
Materialien ist und vermittels der porösen Schutzschicht nach der Erfindung in der
Lage ist, zusätzlich den Wärmefluß von der Schaufel in die Radscheibe einzudämmen.
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Die Maßnahme des Überziehens der Anlageflächen am Fuß einer Keramikschaufel
mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht läßt sich selbstverständlich bei allen Strömungsmaschinen
durchführen, z. B. auch bei keramischen Schaufeln von Axialverdichtern, Pumpen,
usw.