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Der Erfinder hat be3#ntr°agt, nicht genannt zu wer°deno Turbinenläufer
aus Stahl mit keramischer Beschaufelung Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer
aus Stahl, welcher mit keramischen Laufschaufeln bestückt ist. Bei der Befestigung
von Turbinenschaufeln aus keramischem Werkstoff in einem stählernen Turbinenläufer
liegt die hauptsächliche Schwierigkeit darin, die aus den unterschiedlichen Wärrnedehnungsbeiwerten
der beiden verschiedenen Werkstoffe sich ergebenden Wirkungen bei allen in Betracht
kommenden Temperaturen betriebssicher zu beherrschen. Man hat deshalb vorgeschlagen,
die Tragflächen zwischen den beiden Bauteilen konstruktiv so zu gestalten, daß die
durch die Wärmedehnungen hervorgerufenen Relativbewegungen zwischen Keramikschaufel
und Läuferscheibe in den Berührungsflächen frei von zusätzlichen, senkrecht zu diesen
Flächen wirkenden Kräften ablaufen, ohne daß der Kraftfluß zwischen diesen beiden
Bauelementen gestört wird. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zur Festlegung
der einzelnen Schaufel in der Läufernut zwei Sitzflächenpaare zu wählen, von denen
das eine in der Hauptsache durch die Fliehkraft beaufschlagt wird, während das zweite
lediglich Stützfunktionen: erfüllt, d. h. bei allen Betriebszuständen den allseitigen
Formschluß der Laufschaufel in der Befestigungsnut gewährleistet.
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Ein solches Vorgehen erfordert an sich mit Rücksicht auf die unterschiedlichen
Reibungsbeiwerte
zwischen Stahl und Keramik aus Sicherheitsgründen
gegen das Festklemmen von Schaufeln, insbesondere nach dem Abschalten der Turbine,
verhältnismäßig große Winkel zwischen der Richtung der Zentrifugalkraft und den
Anlageflächen, die aber aus Gestaltfestigkeitsgründen bei keramischen Werkstoffen
unzweckmäßig sind. Kleine Winkel dagegen ergeben große Normalkräfte und dementsprechend
große, die Gleitbewegungen hemmende Reibungskräfte.
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An sich ist es bekannt, zwischen dem Fuß einer keramischen Schaufel
und dem Stahlläufer metallische Zwischenschichten anzuordnen, die als Überzüge (durch
Spritzen, Galvanisieren od. dgl.) auf den keramischen Schaufelfuß aufgebracht sind.
Solche, meistens sehr dünnen überzüge, weisen häufig eine grobe und porige Struktur;
insbesondere an der Oberfläche, auf und enthalten mitunter Oxydhäutchen des aufgespritzten
Metalls. Schon auf Grund.dieser Mängel sind solche metallischen Beläge nicht geeignet,
die Reibungsverhältnisse an den Anlageflächen der keramischen Schaufelfüße zu verbessern.
Nachteilig wirkt sich auch aus, daß die bekannten l_Tberzüge leicht zur vollständigen
Oxydation neigen und schließlich der völligen Zerstörung anheimfallen.
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Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, für die Anlageflächen
des - keramischen Schaufelfußes günstigste kleine Neigungswinkel duxch Verbesserung
der Reibungsverhältnisse in den Anlageflächen zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem Turbinen-'läufer aus Stahl mit
keramischer Beschaufelung und metallischen Zwischenschichten zwischen den Schaufeln
und dem Stahlläufer dadurch erreicht, daß die Zwischenschicht aus zwischen den Anlageflächen
am Schaufelfuß und den Stützflächen der entsprechend ausgebildeten Fassung des Läufers
lose angeordneten Beilagen aus zunderfestem und hitzebeständigem metallischem Werkstoff
besteht.. Versuche haben gezeigt, daß mit solchen Beilagen nach der Erfindung selbst
sehr hohe Reibungskräfte beherrscht werden können, und es dadurch möglich ist, die
Keramikschaufel vor unkontrollierbaren, schädlichen Zusatzkräften zu schützen, welche
von den unterschiedlichen Ausdehnungsbeiwerten herrühren. Die erfindungsgemäßen
metallischen Beilagen können entweder als hitzebeständige Bleche einzeln oder in
mehreren Lagen übereinander zwischen die jeweiligen Berührungsflächen eingelegt
werden. Es. ist auch möglich, diejenige Oberfläche der Beilagen, welche der Stahlfassung
zugekehrt ist, genauso wie die Tragflächen an den Läuferscheiben selbst fein zu
arbeiten, -um überall .gleichmäßig gute Reibungsverhältnisse -zu schaffen.
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Darüber hinaus liegt ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß
durch die Erhöhung der ärmeübergangsstellen auf mindestens zwei,,nämli h Keramik-Blech:
und Bilech-Stahl-Läwfer, der bei einer Keramikbeschaufelung unerwünschte Wärmetransport
aus der Schaufel in die Läuferscheibe verringert und eingedämmt werden kann. Die
Vergrößerung der erwünschten Temperaturdifferenz zwischen Schaufel und Scheibe läßt
sich auf diese Weise aber noch weitertreiben, wenn man die Blechbeilage in mehreren
Lagen ausführt, d. h. die Anzahl der Wärmeübergangsstellen weiter erhöht, oder auch
dadurch, daß man die Oberfläche so behandelt, daß der Wärmeübergang schlechter wird.
Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Blechpaketen aus verschiedenen, je nach
dem erwünschten Effekt ausgewählten Werkstoffen.
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Von dem Scheibenwerkstoff für Gasturbinenläufer wird neben einer hohen
Warmfestigkeit auch eine ausreichende Zunderbeständigkeit verlangt. Beide Eigenschaften
nehmen aber in den in .Betracht kommenden Betriebstemperaturbereichen sehr stark
mit zunehmender Temperatur ab. Zudem sind sie in den heute zur Verfügung stehenden
Scheibenwerkstoffen nicht im gleichen Maße vorhanden. Es ist dann: nur von Vorteil,
wenn man diese beiden Anforderungen mindestens teilweise auf die Scheibe einerseits
und die Blechbeilage andererseits verteilt, insbesondere wenn man die Zunderfestigkeitsforderung
im wesentlichen von dem Blech erfüllen läßt. Der Vorteil wird um so augenfälliger,
wenn man berücksichtigt, daß es bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen meist auf wenige
Temperaturgrade ankommt. Die Auswahl des Werkstoffs kann dann den Ausschlag geben.
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Schließlich kann die Auswahl des Werkstoffs für die Blechbeilagen
von dem Ziel abhängen, bei den in Frage kommenden Temperaturen besonders günstige
Reibungsverhältnisse zu erhalten. Hierbei können Oberflächenbehandlungen ebenfalls
vorteilhaft sein.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt die Abbildung einen Schnitt durch die Befestigungsstelle
einer Keramikschaufel in der Nut einer stählernen Läuferscheibe, wobei am Schaufelfuß
zwei Sitzflächenpaare nach Art eines Doppelkegels übereinander angeordnet sind.
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In der Abbildung erkennt man die Keramikschaufel i, an deren Fußteil
zwei Sitzflächenpaare i, und ib angeordnet sind. Das eine Sitzflächenpaar i, nimmt
dabei vor allem die von der Fliehkraft herrührenden Zugkräfte auf, während das andere
Sitzflächenpaar ib die Schaufel in der Nut des Läuferkranzes 2 formschlüssig festlegt.
Die gegenseitige Neigung der beiden Sitzflächenpaare ist in bekannter Weise so gewählt,
daß eine möglichst . weitgehende temperaturunabhängige Verbindung gewährleistet
ist. Um bei dieser Schaufelfußgestaltung möglichst flache Neigungswinkel für die
beiden Sitzflächenpaare verwirklichen zu können, sind gemäß der Erfindung zwischen
die entsprechenden Anlageflächen von Keramikschaufel und Stahlläuferfassung metallische
Beilagen 3 eingelegt. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die unübersichtlichen
und ungünstigen Reibungsverhältnisse von Keramik und Stahl zu beherrschen.