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Laufschaufel für axiale Strömungsmaschinen Die Erfindung betrifft
eine Laufschaufel für axiale .Strömungsmaschinen, insbesondere eine Ga.sturbinenschaurfel
aus hoch warmfesten keiramischen Werkstoffen und befaßt sich mit Maßnahmen, um die
Gefahr der Beschädigung oder gar Zerstörung der Schaufel zu beseitigen, welche im
Betrieb ;infolge Anlawfens oder Streifens an fetsts.tehenden Bauteilen der Strömungsmajschi.ne
entstehen kann. Der Turbinenbetrieb erfordert bekanntlich mit Rückeicht auf einen
guten Wirkungsgrad sehr enge Spiele zwischen den Schaufelspitzen und den nicht rotierenden
Maschinenteilen, z. B. der Gehäusewand, welche etwa in der Größenordnung von einem
Tausendsteq des Laufradradius liegen. Wegen der zeitlich unterschiedlichen Aufheizvorgänge
an, den sich bewegenden und den feststehenden Bauelementen einer Gasturbine bei
Inbetriebnahme oder 'bei raschen Belastungsänderungen derselben können jene auch
unterschiedliche :Wärmedehnungen aufweisen. Um die dabei entstehende Gefahr einer
Beschädigung des Schaufelgitters infolge Anstreifens einzelner Laufschaufeln., z.
B. an der Kanalbegrenrzungswand, zu bekämpfen, wurden bei metallischen Laufschaufeln
die Schaufelspitzen angeispitzt, d. h. der Schaufelblattquerschnitt wurde außen
so geschwächt, daß im Fall einer Anstreifbewegung die gefährdeten SchaufeQabschnitte
abgeschliffen werden und demzufolge keime schädlichen Rückwi@rkungen.aurd dass übrige
Schaufelblatt entistehen können. Die Anwendung dieser bekannten,
Maßnahme
ist aber bei Schaufeln aus keramischen: Massen nicht möglich, weil die auf eine
solche Weise etwa geschwächten äußeren. Schaufelabschnitte auch trotzdem noch eine
beträchtliche mechanische Festigkeit aufweisen würden.; die Gefahr des Aasbrechens
mehr oder minder ;größerer Teile der sehr spröden Keramikschaufel wäre damit trotzdem
nicht beseitigt.
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Um bei einem keramischen Laufgitter die bereits genannten, engen Laufspiele
innerhalb :des Strömungskanals einstellen, zu können, maß das fertig armierte Laufrad
vor seinem Einbau in. :die Strömungsmaschine am Umfang auf das geforderte Maß noch
überschliffen werden; @denn ein bloßer Zusammenbau roh hergestellter keramischer
Schaufeln zu einem ganzen Schaufelgitter würde zu große maßliche Abweichungen vom
Sollwert des Außendurchmessers ergeben. Das Abschleifen der Schaufelblattspitzen
von keramischen Turbinenschaufeln bereitet aber Schwierigkeiten, weil der keramische
Werkstoff, insbesondere jener mit Si C-Gehadt, äußerst hart und abriebfest ist.
Überhaupt unmöglich ist ein derartiger Überschleifvorgang bei Schaufeln, welche
nicht völllig starr in der Laufradscheibe befes,tigt sind; sie haben nämlich die
Möglichkeit, dem Schleifwerkzeug auszuweichen. In einem solchen Fall wäre eine besondere
Vorrichtung zur Aufnahme der Einzelschaufeln für das Abschleifen: nötig, wobei es
noch dahingestellt bleiben kann, ob die geforderten Genauigkeiten unter tragbaren
wirtschaftlichen Bedingungen überhaupt zu erreichen sind.
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Es ist daher bei keramischem Schaufeln auch die Anwendung eines bei
Stahlschaufeln bekannten Vorschlages nicht durchführbar, demzufolge am Umfang des
Strömungskanals einer Turbine über den Lau:fschaufelgittern eine besondere Abschleifvorrichtung
zum selbsttätigen. Abschle:i,fen von streifenden Schaufelspitzen angeordnet werden
kann.
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Bei stählernen Turbinenschaufeln ist es weiter bekanntgeworden, die
z. B. der Erosion durch das Arbeitsmittel besonders ausgesetzten Schaufelteile aus
einem besonders widerstandsfähigen Material herzustellen oder an jenen gefährdeten.
Stellen einen der Schaufelform angep.aßten Schutzbelag anzubringen. Ein solches
Vorgehen setzt jedoch voraus, daß sowohl die Turbinenschaufel selbst als auch die
jeweilige Schutzeinlage aus metallischem Werkstoff bestehen, da sonst eine befriedigende
und betriebssichere gegenseitige Verbindung nicht möglich wäre. Für eine keramische
Beschaufelung scheidet eine solche Lösung gänzlich aus.
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Darüber hinaus sind bereits keramische Turbinenschaufeln bekanntgelvorden,
welche mit keramischen Schutzschichten überzogen sind. Die Ausbildung kann dabei
in der Weise geschehen; .daß die im Betrieb verschieden beanspruchten, Teile einer
Turbinenschaufel, z. B. Schaufelblatt und Schaufelfuß, aus verschiedenen keramischen
Massen mit verschiedenartigen Eigenschaften hergestellt werden. Das der Temperatureinwirkung
am stärksten ausgesetzte Schaufelblatt besteht beispielsweise aus einer Hülle aus
keramischem ZVerkstoff, welcher ausgeprägte Temperaturwechselbeständigkeitseigenschaften
besitzt, während beim Schau:fellblattkern und insbesondere bei :dem Schaufelfuß
ein warmfester koranischer Werkstoff anteilmäßig überwiegt. Die Herstellungsweise
einer solchen Verbundschaufel ist indessen kompliziert, da die beiden verschiedenen,
keramischen Werkstoffe in ihren stofflichen: Werten ganz genau aufeinander äbg@estmmt
werden müssen. Zudem wird die Gefahr des Aasbrechens ganzer Schaufelteile ,infolge
Anstreifens an der Gehäusewand in keiner Weise beseitig t.
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Zur Behebung aller dieser Schwierigkeiten. wird gemäß der Erfindung
das Schaufelblatt einer z. B. aus keramischen Massen. gefertigten Laufschaufel an
jenen Stellen, weilche im Betrieb der Geifahr der Beschädigung infolge Anstreifens
an feststehenden Bauteilen der betreffenden Strömungsmaschine ausgesetzt sind, mit
einer Schu tzsc'hicht au,s. einem Werkstoff sehr geringer Verschleißfestigkeit überzogen.
Diese Schutzschicht, welche vorzugsweise aus einer nach dem keramischen Brande schaumigen,
stark porösen Glasur besteht, maß dabei in ihrer Dicke, z. B. in Richtung :der Schaufelachse,
so hinreichend bemessen sein, daß alle herstellungsbedingten Maß-tolerranrzen des
Schaufelgitters mit Sicherheit erfaßt werden.
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Als Schutzbelag für eine solche keramische Schaufel kann weiter auch
eine andere geeignete keramische Masse verwendet werden, welche mach dem keramischen
Brande eine schaumige, stark poröse Struktur aufweist und! eine geringe Abrieibfestigkeit
besitzt. Außerdem ist es möglich, jene gefährdeten: Abschnitte einer Einzelschaufel
zuerst mit einer dichten Glasurschicht zu überziehen, auf welche sodann noch eine
weitere Schutzschicht als splittarti:ger Auftrag aufgebracht wird. Dieser Auftrag
ergibt eine stark aufgegliederte Oberfläche und übt demzufolge Schutzfunktionen
aus, wie etwa die bekannten Labyrinthspitzem Dabei, ist es in jedem Fäll aber wichtig,
die betreffende Schutzschicht vor dem keramischen Brande der Laufschaufel aufzutragen
und. anschließend gemeinsam mit jener zu brennen.
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In der Zeichnung ist .ein Ausführungsbeispiel einer keramischen Turbinenschaufel
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Keramikschaurdel ;in
der Stirnansicht, Fig. 2 die gleiche Keramikschlaufel in der Seitenansicht.
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Die in Fig: i und 2 dargestellte Laufschsaufel für eine Gasturbine
isst aus hoch warmfesten keramischen: Werkstoffen hergestellt und besteht aus dem
Arbeit leistenden, Schauieliblatt i und dem kräftigen SchaUfelfuß 2, welcher in
an, sich bekannter Weise zwei. Anlageflächenp:aare aufweist. Das eine Sitzflächenpaar
3 wird im Betrieb nur von der Schaufelfliehkraft beaufschlagt, während das zweite
Paar q. lediglich zur Wahrung des Formschlusses des Schaufelfußes in der Läufernut
bei allen betrieblichen Zuständen der Turbine dient. An der Spitze des SchaafeAlattes
i, welche in: hesonderem
Mäße der Gefahr des Andaufens an die feststehende
Gehäusewand ausgesetzt ist, erkennt man die Schutzschicht 5 nach der Erfindung.
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Die erste rohe Bearbeitung eines m,it den erfindungsgemäßen Keramikschaufeln:
fertig armierten Laufrades., falls eine solche zum A.usgle-ich größerer maßlicher
Abweichungen der Einzelschaufeln überhaupt notwendig werden sollte, kann; auf einer
verhältnismäßig einfachen .und billigen Vorrichtung vorgenommen werden. Die letzte
Feinstüber.arbeitung des Laufradumfanges zum Zweck der Einstellung der engen Maßtoleranzen
errfolgt sodann z. B. ;in, der Weise, daß das Laufrad in rasche Umdrehung versetzt
wird und daß ein entsprechend 'bemessener, leicht konischer Zylinder über dasselbe
geschoben wird, in welchen sich diie Schaufelspitzen auf dien geforderten Betrag
selbsttätig absählei£en.
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Mittels der erfindungsgemäßen Schutzschicht geringer Verschleißfestigkeit
ist es also möglich, auf verhältnismäßig einfache Art die erfoiriderl,ichen engen
Lau.fspiede am Umfang eines keiramischen Laufscha,ufedgitters mit großer Gleichmäßigkeit
herzusuellen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Maßnahme ist noch darin zu
sehen, daßgleichzeitig einte wirksame Sicherung gegen eventuelle Beschädigungen
geschaffen ist, wenn der Schaufelkranz oder einzelne seiner Schaufeln während des
Turbinenbetriebs an das Gehäuse anlaufen. Die Gefahr, d'aß bei den gesteigerten
Treiibmitteltemperaturen einer Gasturbine die beispielsweise auch bei 9oo° C immer
noch spröde Keramikschaufel infolge Anstredens sofort zu Bruch geht, wird auf diese
Weise beseitigt oder zumindest stark verringert.
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Die Erfindung kann nicht nur :bei Turbinenschaufeln aus lceramisc'hem
Werkstoff erfolgreich angewandt werden, sondern es ist auch möglich, durch die aufgezeigte
Lösung "a:hnliche ,ungünstige Verhältnisse bei Schaufeln .aus metallischen Baustoffen
zu verbessern., z. B. durch Aufbringen einer Schutzschicht aus gesintertem Metallpulver.
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Die Maßnahme des Überziehens dein gefährdeten Stellen einer Laufschaufel
mit der erfindungsgemäßen Schuteschicht l'äßt sich selbstverständlich bei allen
Strömungsmaschinen mit Erfolg d.urchführens z. B. auch bei Schaufedn für Axsalverdichten-,
Pumpen usw.