DE968837C

DE968837C - Running swing made of ceramic material

Info

Publication number: DE968837C
Application number: DEM12462A
Authority: DE
Inventors: Walter Richter; Dr Herbert Scharf; Dipl-Ing Rudolf Schmucker
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1952-01-04
Filing date: 1952-01-04
Publication date: 1958-04-03

Description

AUSGEGEBEN AM 3. APEIL 1958ISSUED APE 3, 1958

M12462 IVc M12462 IVc j j 80 b80 b

Es ist an sich bekannt, keramische Werkstücke mit einer Glasur zu überziehen, um damit deren Festigkeit zu erhöhen. So überzieht man beispielsweise die mechanisch hoch beanspruchten Kettenisolatoren elektrischer Hochspannungsleitungen mit Glasuren, deren linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der des darunterliegenden Scherbens. Die Glasur übt dabei axiale und tangentiale Druckspannungen auf den Keramikscherben aus und erhöht dadurch die Zug- und Biegezugfestigkeit des auf diese Weise glasierten Isolators ganz erheblich.It is known per se to cover ceramic workpieces with a glaze so that their Increase strength. This is how, for example, the mechanically highly stressed chain insulators are coated high voltage electrical power lines with glazes, their coefficient of linear thermal expansion is smaller than that of the underlying body. The glaze exercises both axial and tangential Compressive stresses on the ceramic shards and thereby increases the tensile and flexural strength the insulator glazed in this way quite considerably.

Würde man dieses Verfahren uneingeschränkt auf keramische Turbinenschaufeln anwenden, dann würde man zwar die erwünschte Festigkeitserhöhung erhalten, gleichzeitig aber auch das Gewicht des Schaufelblattes in unzweckmäßiger Weise erhöhen, und vor allem würde das im Turbinenbetrieb schwingungsanfällige Schaufelblatt verspröden. Die Folge davon wäre, daß die so gefertigte Schaufel nicht bis zur vollständigen Ausnutzung der Werkstoffestigkeit eingesetzt werden könnte. Weitere Bedenken ergeben sich hinsichtlich der überaus hohen Temperaturwechselbeständigkeit, die von den Werkstoffen für heiß betriebene Turbinen, vor allem Gasturbinen, gefordert werden.If this method were to be used without restriction on ceramic turbine blades, then you would get the desired increase in strength, but at the same time also the weight of the airfoil in an inexpedient manner, and above all that would be in the turbine operation Vibration-prone blade blades become brittle. The consequence of this would be that the blade manufactured in this way could not be used until the material strength is fully utilized. Further There are concerns about the extremely high thermal shock resistance that the Materials for hot operated turbines, especially gas turbines, are required.

Weiterhin ist es bekannt, daß der während des Brennvorganges in einem keramischen Körper entstandene und im Gleichgewicht befindliche Eigenspannungszustand durch Anschleifen der sogenannten Brennhaut im Sinne einer Festigkeitsverminderung gestört wird. Dieser Schleifvorgang ist bei denIt is also known that the resultant in a ceramic body during the firing process and residual stress state in equilibrium by grinding the so-called Burn skin is disturbed in the sense of a reduction in strength. This grinding process is with the

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Laufschaufeln von Strömungsmaschinen notwendig, um geringe Herstellungsunterschiede der Schaufelsitzflächen auszugleichen. Bei der Fertigung keramischer Turbinenschaufeln geht man deshalb meist so vor, daß man auf die Sitzflächen nachträglich noch Schichten aus Metall oder anderen Werkstoffen als Bearbeitungszugabe aufbringt, welche durch Schleifbearbeitung an die Tragflächen der Läuferscheibe angepaßt werden können, ohne dabei den ίο Eigenspannungszustand des Scherbens aus dem Gleichgewicht zu bringen. Die Festigkeit der Turbinenschaufel erleidet dadurch zwar keine Einbuße, aber trotzdem befriedigen diese Maßnahmen noch nicht.Blades of turbo machines necessary, to compensate for minor manufacturing differences in the blade seating surfaces. In the manufacture of ceramic Turbine blades are therefore usually done in such a way that the seat surfaces are retrofitted nor applies layers of metal or other materials as a machining allowance, which through Grinding processing can be adapted to the support surfaces of the carrier disc without the ίο residual stress state of the body from the To bring balance. The strength of the turbine blade does not suffer from this, but nevertheless these measures are not yet satisfactory.

Gemäß vorliegender Erfindung wird von den bekannten Glasuren mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als der des unter ihr befindlichen Scherbens in der Weise Gebrauch gemacht, daß die mechanisch hoch beanspruchten Teile der keramischen Schaufel, insbesondere der Schaufelfuß, damit überzogen sind, wobei die Stärke der Glasur in einer Übergangszone in Richtung zum unglasierten Schaufelblatt abnimmt. Dadurch erreicht man gerade an der der Bruchgefahr am meisten ausgesetzten Stelle eine erhebliche Steigerung der mechanischen Festigkeit und vermeidet gleichzeitig, daß das Gewicht der äußeren Teile der Laufschaufel, welche auf die absolute Größe der Fliehkraft größeren Einfluß haben, erhöht wird. Die abnehmende Stärke der Glasurschicht in Richtung zum unglasierten Schaufelblatt ergibt einen guten Übergang vom glasierten zum unglasierten Teil, den man zweckmäßig in mindestens zwei Stufen vornimmt. Schroffe Glasurübergänge würden nämlich infolge des glasurbedingten Eigenspannungszustandes an der Übergangsstelle eine Zone geringerer Eigenfestigkeit erzeugen und außerdem an den dünnen Austrittskanten des Schaufelblattes schädliche Verziehungen hervorrufen.According to the present invention is of the known glazes with a linear thermal Coefficient of expansion smaller than that of the shard below it in the manner used made that the mechanically highly stressed parts of the ceramic blade, especially the Blade root, coated with it, with the strength the glaze decreases in a transition zone in the direction of the unglazed airfoil. Achieved thereby there is a considerable increase precisely at the point most exposed to the risk of breakage the mechanical strength and at the same time avoids the weight of the outer parts of the rotor blade, which have a greater influence on the absolute size of the centrifugal force is increased. The decreasing The thickness of the glaze layer towards the unglazed blade results in a good one Transition from the glazed to the unglazed part, which is expediently carried out in at least two stages. This is because rough glaze transitions would occur as a result of the residual stresses caused by the glaze create a zone of lower intrinsic strength at the transition point and also at the thin ones Cause trailing edges of the airfoil harmful distortions.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß man für ein Laufrad aus keramischem Werkstoff, bei dem also die Schaufeln und der Schaufelträger aus keramischem Material bestehen, bereits vorgeschlagen hat, die Schaufeln in den Befestigungsnuten des Laufrades mit einer Glasur festzubrennen. Mit der vorliegenden Erfindung hat diese Anwendung einer Glasur nichts zu tun, denn letztere dient ausschließlich als Bindemittel zwischen Schaufel und Schaufelträger und nicht zur Erhöhung der Festigkeit des Schaufelwerkstoffes.In this context it should be mentioned that for an impeller made of ceramic material, at So that the blades and the blade carrier are made of ceramic material, already proposed has to burn the blades in the fastening grooves of the impeller with a glaze. With the This application of a glaze has nothing to do with the present invention, since the latter is used exclusively as a binding agent between the blade and the blade carrier and not to increase the strength of the Blade material.

Um auch nach dem Schaufelinnern allmähliche Übergänge zu schaffen, kann man vor Aufbringen der äußeren Glasur während des Brennvorganges auf der Schaufelfußoberfläche eine an sich bekannte Entwicklungsglasur entstehen lassen oder auf die Schaufelfußoberfläche eine ebenfalls bekannte, nicht amorphe Brennhaut erzeugen. Eine Entwicklungsglasur gewinnt man bekanntlich, wenn man auf den Keramikkörper eine Erdalkali- oder Alkaliverbindung aufträgt; bei hohen Temperaturen schmilzt diese und überzieht die Oberfläche des Körpers mit einer gleichmäßigen, dünnen Schicht. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die erfindungs- !In order to create gradual transitions even after the inside of the shovel, one can apply before application the outer glaze during the firing process on the blade root surface is known per se Let develop development glaze or on the blade root surface a likewise known, not produce amorphous burning skin. As is well known, you gain a developing glaze when you click on the Ceramic body applies an alkaline earth or alkali compound; melts at high temperatures this and coats the surface of the body with an even, thin layer. It has proved to be particularly favorable, the inventive!

gemäße Glasurschicht oder die Entwicklungsglasur oder die besondere Brennhaut im Garbrand der Schaufel aufzubringen.appropriate glaze layer or the development glaze or the special firing skin in the cooking firing of the Apply shovel.

Eine weitere zusätzliche Festigkeitssteigerung läßt sich in Weiterausbildung der Erfindung dadurch erreichen, wenn außer dem Schaufelfuß auch die exponierte, dünne Austrittskante des Schaufelblattes mit einer Glasurschicht, etwa in Form eines schmalen dünnen Glasurstreifens, überzogen wird. Schließlich besteht bei einer gemäß der Erfindung glasierten Laufschaufel auch die Möglichkeit, auf die Tragflächen des Schaufelfußes außer der Festigkeitsglasur — wie an sich bekannt — eine keramische Schicht als Bearbeitungszugabe aufzubringen, welche zur genauen Anpassung der Schaufelsitzflächen an die Läuferscheibe überschliffen werden kann. Die Glasur wirkt in diesem Falle als Vermittlerin, indem sie dafür sorgt, daß der Eigenspannungszustand in der Schaufel bei der Bearbeitung unverändert erhalten bleibt. Hierbei zeigt sich ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß glasierten Schaufel. Während man bei einer Schaufel ohne GIasur die keramische Bearbeitungsschicht erst nach dem Fertigbrand aufbringen darf und dann in einem zweiten Brennprozeß gebrannt werden kann, ist es mit der Erfindung möglich, gleich auf den ungebrannten, mit der Glasurmasse überzogenen Rohling _go die Bearbeitungsschicht aufzutragen und die so präparierte Schaufel in einem einzigen Arbeitsgang zu brennen.A further additional increase in strength can be achieved in a further development of the invention if, in addition to the blade root, the exposed, thin trailing edge of the blade is coated with a glaze layer, for example in the form of a narrow, thin glaze strip. Finally, with a rotor blade glazed according to the invention, there is also the possibility of applying a ceramic layer as a machining allowance to the support surfaces of the blade root in addition to the strength glaze - as is known per se - which can be ground to precisely match the blade seat surfaces to the rotor disk. In this case, the glaze acts as a mediator by ensuring that the internal stress state in the blade remains unchanged during processing. This shows a further advantage of the blade glazed according to the invention. While with a shovel without glaze the ceramic processing layer can only be applied after the final firing and can then be fired in a second firing process, with the invention it is possible to apply the processing _{layer immediately to the unfired blank coated with the glaze mass go and the so} burn prepared shovel in a single operation.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer glasierten, keramischen Laufschaufel nach der gg Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. ι die Laufschaufel in der Stirnansicht, Fig. 2 die Laufschaufel in der Seitenansicht.In the drawing, an embodiment of a glazed, ceramic blade according to the gg Invention shown, namely Fig. Ι shows the blade in the end view, 2 shows the rotor blade in a side view.

Die Laufschaufel besteht aus dem hammerkopfartigen, mit einer Festigkeitsglasur überzogenen Schaufelfuß 1 und dem unglasierten Schaufelblatt 2. Zwischen beiden liegt eine Übergangszone 3, in welcher die Glasur in ihrer Dicke stetig oder in mindestens zwei Übergangsstufen abnimmt. Auf den Tragflächen des Schaufelfußes ist eine weitere keramische Schicht 4 als Bearbeitungszugabe aufgebracht. Außer dem Schaufelfuß 1 ist auch noch die im Betrieb besonders hoch beanspruchte Austrittskante S des Schaufelblattes 2 mit einem schmalen, dünnen Glasurstreifen versehen.The blade consists of the hammer head-like, coated with a strength glaze Blade root 1 and the unglazed blade 2. Between the two is a transition zone 3 in which the thickness of the glaze decreases steadily or in at least two transition stages. On the A further ceramic layer 4 is applied as a machining allowance to the wing surfaces of the blade root. In addition to the blade root 1, the trailing edge S of the blade 2, which is particularly highly stressed during operation, has a narrow, apply thin glaze strips.

Die Maßnahmen der Erfindung lassen sich nicht nur bei Turbinenschaufeln, sondern bei allen mechanisch und thermisch hoch beanspruchten Bauteilen von Kreiselradmaschinen, beispielsweise auch bei Verdichtern für heiße Arbeitsgase, anwenden. _UgThe measures of the invention can be used not only with turbine blades, but also with all mechanically and thermally highly stressed components of centrifugal machines, for example also with compressors for hot working gases. _U g

Claims

Patent claims:

i. Rotor blade made of ceramic material for centrifugal machines, characterized in that that their mechanically highly stressed parts, in particular the blade root (1), with are coated with a glaze, the linear thermal expansion coefficient of which, as is known per se, is smaller than that of the

union body and its strength in a transition zone (3) towards the unglazed Blade is decreasing.

2. Blade according to claim 1, characterized in that the glaze layer in the direction towards the unglazed shovel blade is steadily decreasing in strength.

3. Blade according to claim 1, characterized in that the transition from the glazed Blade foot to the unglazed blade is carried out in at least two stages.

4. rotor blade according to claim 1, characterized in that during the burning process a developing glaze is formed on the blade root surface.

5. rotor blade according to claim 1, characterized in that on the blade root surface a special race skin is applied.

6. rotor blade according to claim 1 or 4 or S, characterized in that the glaze layer or the development glaze or the special burning skin is produced in the cooking firing of the shovel will.

7. rotor blade according to claim 1, characterized in that in addition to the blade root also the exposed, thin trailing edge of the airfoil with a layer of glaze, roughly in Form of a narrow, thin glaze strip, is coated.

8-blade according to one of claims 1 to 7, characterized in that on the supporting surfaces of the blade root except for the glaze layer another ceramic layer is applied as a machining allowance.

Considered publications:

German Patent Nos. 1503900, 596745, 735668,818748,897935;

Swiss Patent No. 246741;

W. Espe and M. K η ο 11 »Materials science of Hochvakuumtechnik «, 1936, pp. 200 to 202;

Trade journal "Metal Powder Report", Vol. 5, 1950, No. ι, p. 40.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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