DE3521782A1

DE3521782A1 - Hybridschaufel aus metall und keramik zusammengesetzt

Info

Publication number: DE3521782A1
Application number: DE19853521782
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Huether
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1985-06-19
Filing date: 1985-06-19
Publication date: 1987-01-02
Also published as: JPS6248903A; EP0206107A3; EP0206107A2; EP0206107B1; DE3660556D1; US4645421A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridschaufel insbesondere eine Leit- oder Laufschaufel einer Strömungsmaschine aus Metall-Keramik zusammengesetzt, wobei das temperatur festere Material das innere Teil bildet. Es sind in dieser Art zusammengesetzte Schaufeln bereits bekannt aus DE-OS 28 34 843 und DE-PS 28 34 846.

Es ist bekannt den metallischen Kern mit dem keramischen Hemd durch Stifte zu verbinden. In diesen Fällen kann es im Bereich der Querstifte zu lokalen Spannungsspitzen kommen, die die Bruchgefahr erhöhen, wie sie sich bei dem bekannten Aufbau von Hybridschaufeln ergibt aus

a) der unterschiedlichen Wärmedehnung von keramischem Hemd und Metallkern im jeweiligen Bereich einer Anlage- oder Anlagefläche,
b) daß die Auflagefläche einen innen umlaufenden Wulst hat und so einen relativ kleinen Kern querschnitt bedingt,
c) daß die kleine Anlagefläche sich im Keramikhemd befindet und eine genaue Bearbeitung äußerst schwierig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine leicht zu montierende und zu demontierende Verbindung für das metallische und keramische Bauteil einerseits zu finden und andererseits eine sichere und für längere Betriebsdauer geeignete Ver bindung zu schaffen.

Die Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein etwa hemdförmiges oder kappenartiges Außenteil in einem Zentralbereich einen Steg aufweist, der in einen Hohlraum des Außenteils hineinragt und daß ein massiver Kern mit einer schlitzförmigen Ausnehmung in dem Hohlraum des Außenteils soweit einschiebbar ist, daß er unter Zwischen lage eines Isolators zwischen dem Schlitz des Kerns (1) und dem Steg des Hemdes gehalten ist.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß im Übergangsbereich Metall/Keramik die Keramik druck belastet ist. Dieser Übergangsbereich ist verhältnismäßig klein so daß eine Wärmedehnung gefahrlos beherrschbar ist. Außerdem wird der Wärmeübergang vom Mantel auf den Kern verringert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteran sprüchen, der Beschreibung und Zeichnung eines Aus führungsbeispiels zu entnehmen. Zur Erfindung gehören aus drücklich auch alle Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen, darvestellten und beanspruchten Merk male. Für den metallischen Schaufelfuß und den metallischen Kern eignen sich Superlegierungen, Nickelbasislegierungen, Titanbasislegierungen und andere. Das äußere hemdartige Teil besteht aus Keramik insbesondere aus faserverstärkter Keramik wie SiC-Fasern in SiC oder SiC-Fasern in Si₃N₄ oder Kohlenstoffaser verstärkter Kohlenstoff mit einer Siliziumkarbidschutzschicht.

In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Ansicht der neuartigen Hybridschaufel

Fig. 2 den Isolator als Verbindungsstift zwischen Kern und Hemd

Fig. 3 das Hemd der Hybridschaufel

Fig. 4 den Schaufelaufnahmefuß

Fig. 5 einen Längsschnitt

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Schaufel

Der Kern hat das Bezugszeichen 1 er ist von einem Schlitz in Längsrichtung durchsetzt, der das Bezugszeichen 2 trägt, sich im Zentralbereich des Kerns befindet und nicht über die gesamte Länge geht, wie Fig. 5 oben zeigt, sondern früher endet. Die Breite des Schlitzes ist so bemessen, daß sie den Isolationsstift 3, dargestellt in Fig. 2, der der Verbindung zwischen Kern 1 und Hemd 4 dient, auf nehmen kann. Das Hemd 4 hat eine größere Höhe und hat den Hohlraum 8 im Zentralbereich für die Aufnahme des Kerns 1. Der Fuß ist mit 5 bezeichnet und nimmt das Hemd 4 auf bei 6. Das Hemd 4 hat einen Tragsteg 7 der im Schlitz 2 zu Liegen kommt nach dem Zusammenbau.

Der Schaufelfuß 5 z.B. ein Schwalbenschwanzfuß oder ein Tannenbaumfuß nimmt auch den Schaufelkern 1 im Zentrum auf, ist bevorzugt aus metallischem Material, gleich oder ähnlich wie der Kern 1 hergestellt, bevorzugt durch Erodieren aus Vollmaterial. Er kann auch in einem Fein gußverfahren hergestellt werden.

Das Hemd aus hochtemperaturfester Keramik wird vorzugsweise hergestellt durch Spritzguß eines sinterfähigen SiC- Materials oder Si₃N₄ oder durch kaltisostatisches Pressen eines Keramikpulvers in einer Form mit Kern und nachfolgen der Bearbeitung des Grünlings zur Beinaheendform.

Der Kern wird beispielsweise hergestellt durch Feinguß gewünschtenfalls ist eine Nachbearbeitung durch Schleifen möglich. Der Kern kann auch aus vollem, insbesondere metallischen Material erodiert werden oder Einkristallin durch gerichtete Erstarrung im Gießverfahren hergestellt werden. Der Schlitz 2 der in üblicher Weise z.B. durch Fräsen hergestellt wird, wird an seinen Berührungsflächen mit dem Isolationsstift 3 und Tragsteg 7 geschliffen. Aber auch eine andere Feinbearbeitung ist anwendbar die geeignet ist, glatte Parallelflächen zu liefern wie sie auch an dem Stift 3 gewünscht sind. Es sollen hierdurch eine leichte Verschiebung von Hemd und Kern infolge Wärme dehnung im Betrieb ermöglicht werden. Die Parallelität der Auflageflächen zueinander sollte z.B. kleiner als 0,5 µm sein. Der Stift 3 sollte bevorzugt aus teilstabilisiertem Zirkonoxid als hochtemperaturfeste Keramik bestehen, ins besondere Y₂O₃ in ZrO₂.

Die Montage der Hybridschaufel ist wie folgt:

Zunächst kommt der Isolator 3 auf den Steg 7 des Keramik hemds (Fig. 1 oben) am Ende des Schlitzes 2 zu Liegen, d.h., wenn das Keramikhemd 4 mit Steg nach oben steht. Dann wird der Kern 1 von oben in das Hemd 4 hineingeschoben bis er auf dem Isolator 3 aufliegt. Der Isolator kann jetzt nicht mehr herausfallen. Hemd und Kern werden zu sammengehalten und der Kern 1 in den Schaufelfuß 5 hinein geschoben. Danach werden Kern und Fuß von der Unterseite des Fußes her miteinander verlötet.

Es ist statt der dargestellten Ausführung auch möglich den Kern bis zur Spitze des Schaufelblattes hin konisch zulaufen zu lassen was eine Gewichtsersparnis und Ent lastung des schaufelseitigen Endes des Tragestiftes zur Folge hat. Weitere Abwandlungen des Ausführungsbeispiels sind möglich ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Der Kern 1 kann konisch ausgeführt sein, mit der Basis an Fuß 5.Zwischen Hemd 4 und Kern 1 kann noch ein Leit blech 9 oder dergl. Element zur Führung von Kühlluft durch die (nicht dargestellte) Radnabe oder Turbinen scheibe (Rotor) durch den Fuß 5 in den Zwischenraum 10 der dann als Kühlluftkanal dient und einen Teil des Hohl raums 8 bildet (Fig. 5).

Das Leitblech 9 kann zugleich dem Strahlungsschutz dienen, d.h. es schirmt den Kern 1 vor Wärmeübergang vom Hemd 4 bzw. Mantel ab. Das Leitblech 9 berührt den Mantel bzw. das Hemd 4 nicht sondern ist mit Abstand zu Hemd und Kern im Fuß 5 befestigt, insbesondere einge lötet (Fig. 6).

Claims

1. Hybridschaufel, insbesondere aus Metall- und Keramik- Komponenten zusammengesetzte Schaufel für Strömungs maschinen wie Gasturbinen, wobei das temperaturfeste Material die äußere und das zugfeste die innere Komponente bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Komponente (4) ein etwa hemdförmiges oder kappenartiges Teil bildet und in einem Zentralbereich einen Steg (7) aufweist, der einen Hohlraum (8) über brückt und
daß ein massiver Kern (1) die innere Komponente bildet, eine schlitzförmige Ausnehmung (2) aufweist und in den Hohlraum (8) der äußeren Komponente (4) soweit einschiebbar ist, daß der Kern (1) unter Zwischen lage eines Isolators (3) zwischen Schlitz (2) und Steg (7) im Hemd gehalten ist.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingelegte Isolator ein feinbearbeitetes insbesondere geschliffenes Stück mit Parallel flächen zu den Anlageflächen in Bezug auf Kern bzw. Steg ausgebildet ist (für leichten Schiebesitz).

3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mit einem Schaufelfuß verlötet ist.

4. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem Metall oder einer Metallegierung, einer Superlegierung oder der gleichen besteht.

5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem Feingußteil, insbesondere mit gerichteter Erstarrung besteht.

6. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einkristallin ist.

7. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemd aus einer Hoch temperaturkeramik, wie faserverstärktem Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid besteht.

8. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemd durch Spritzguß hergestellt ist.

9. Schaufel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemd aus einem Hochtemperaturkeramikpulver insbesondere SiC oder Si₃N₄ geformt ist.

10. Schaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemd kalt isostatisch gepreßt und grün be arbeitet ist.

11. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus einem teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht, bei dem alle Auflageflächen geschliffen sind.

12. Hybridschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern konisch vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze zulaufend ausgeführt ist.

13. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungsschutzblech zwischen Kern und Mantel angeordnet ist und das Schutzblech den Mantel nicht berührt.

14. Schaufel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kern und Schutzblech Kühlluft einführ bar ist und/oder der Kern kühlbar ist.

15. Schaufel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kern längsgerichtete durchgehende Kühl kanäle angeordnet sind.