EP0206107A2 - Hybridschaufel aus Metall und Keramik zusammengesetzt - Google Patents

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EP0206107A2
EP0206107A2 EP86107927A EP86107927A EP0206107A2 EP 0206107 A2 EP0206107 A2 EP 0206107A2 EP 86107927 A EP86107927 A EP 86107927A EP 86107927 A EP86107927 A EP 86107927A EP 0206107 A2 EP0206107 A2 EP 0206107A2
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EP
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blade
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insulator
shirt
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Werner Dr.-Ing. Hüther
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MTU Aero Engines GmbH
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MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3084—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers the blades being made of ceramics

Definitions

  • the invention relates to a hybrid blade, in particular a guide or rotor blade of a turbomachine composed of metal-ceramic, the more temperature-resistant material forming the inner part.
  • composite blades are already known from DE-OS 28 34 843 and DE-PS 28 34 846.
  • DE-OS 3110096 describes a blade with the features of the preamble of claim 1. Proceeding from this, the object of the invention is to create a blade which can compensate for the different thermal expansion coefficients of the metallic core and the ceramic jacket, depending on the material used, allows a large core cross section and avoids local stress peaks in the ceramic jacket and both are easy to machine are. This object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.
  • the solution according to the invention is that the pin (7) is formed in one piece with the blade casing (4), that the core (1) is designed in a U-shape so that its leg ends over the pin (7) in the longitudinal direction of the blade can be inserted into the blade root (5), after which the base of the core (1) rests on the pin (7) with the interposition of an insulator (3) and the leg ends of the core (2) are fixed in the blade root (5) so that they cannot be detached.
  • the main advantage of the invention is that the ceramic is under pressure in the transition area metal / ceramic. This transition area is relatively small, so that thermal expansion can be controlled safely. In addition, the heat transfer from the jacket to the core is reduced, both of which are easy to machine.
  • the outer shirt-like part consists of ceramic, in particular of fiber-reinforced ceramic such as SiC fibers in SiC or SiC fibers in Si 3 N 4 or carbon fiber reinforced carbon with a silicon carbide protective layer.
  • the core has the reference number 1, it is in one piece, U-shaped and penetrated by a slot 2 which extends in the longitudinal direction of the blade and does not extend over the entire length, as shown in FIG. 3, but ends earlier at a base.
  • the width of the slot is dimensioned such that it can accommodate the insulator 3, shown in FIG. 2, which serves the connection between the core 1 and the jacket 4.
  • the jacket 4 has a greater height than the core and a cavity 8 in the central area for receiving the core 1.
  • the foot is designated 5 and receives the shirt 4 in a recess 6.
  • the jacket has a pin 7 in the slot 2 comes to rest.
  • the foot 5 for example a dovetail foot or a fir tree foot, also receives the U-shaped core 1 in the center at the other side.
  • It is preferably made of metallic Material, made the same or similar to the core 1, preferably by eroding from solid material. It can also be produced in an investment casting process.
  • the jacket 4 made of high-temperature-resistant ceramic is preferably produced by injection molding a sinterable SiC material or Si 3N4 or by cold isostatic pressing of a ceramic powder in a mold with a core and subsequent processing of the green compact to the almost final shape.
  • the core 1 is produced, for example, by investment casting, if desired, post-processing by grinding is possible.
  • the core can also be eroded from solid, in particular metallic material, or can be produced in single crystal by directional solidification in the casting process.
  • the slot 2 which is produced in the usual way, for example by milling, is ground on its contact surfaces with the insulator 3 and the pin 7.
  • Another fine processing can also be used, which is suitable for delivering smooth parallel surfaces, as are also desired on the insulator. This should enable a slight displacement of the jacket and core due to thermal expansion during operation.
  • the parallelism of the contact surfaces to each other should be less than 0.5 ⁇ m, for example.
  • the insulator 3 should preferably consist of partially stabilized zirconium oxide as a high-temperature-resistant ceramic, in particular Y 2 0 3 in Z r0 2 .
  • the baffle 9 can also serve as radiation protection, i.e. it shields the core 1 from heat transfer from the blade casing 4.
  • the guide plate 9 does not touch the jacket 4, but is fastened, in particular soldered, at a distance from the jacket and core in the base 5 (FIG. 6).

Abstract

Hybridschaufel aus Metall/Keramik wie hemd- und kappenartigen äußeren Teil aus Keramik, von einem Isolationsstift einfach und sicher gehalten auf dem metallischen Kern.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hybridschaufel,insbesondere eine Leit- oder Laufschaufel einer Strömungsmaschine aus Metall-Keramik zusammengesetzt, wobei das temperaturfestere 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.
  • 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 Kernquerschnitt bedingt,
    • c) daß die kleine Anlagefläche sich im Keramikhemd befindet und eine genaue Bearbeitung äußerst schwierig ist.
  • In der DE-OS 3110096 ist eine Schaufel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 beschrieben. Ausgehend hiervon stellt sich für die Erfindung die Aufgabe, eine Schaufel zu schaffen, die die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von metallischem Kern und keramischem Mantel - abhängig vom verwendeten Material - ausgleichen läßt, einen großen Kernquerschnitt gestattet und lokale Spannungsspitzen im keramischen Mantel vermeidet und beide leicht bearbeitbar sind. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1.
  • Die Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Stift (7) mit dem Schaufelmantel (4) einstückig ausgebildet ist, daß der Kern (1) so U-förmig gestaltet ist, daß er mit seinen Schenkelenden über den Stift (7) in Schaufellängsrichtung in den Schaufelfuß (5) einschiebbar ist, wonach die Basis des Kerns (1) unter Zwischenlage eines Isolators (3) auf dem Stift (7) aufliegt und die Schenkelenden des Kerns (2) im Schaufelfuß (5) unlösbar festgelegt werden.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß im Übergangsbereich Metall/Keramik die Keramik druckbelastet ist. Dieser Übergangsbereich ist verhältnismäßig klein, so daß eine Wärmedehnung gefahrlos beherrschbar ist. Außerdem ist der Wärmeübergang vom Mantel auf den Kern verringert.Beide sind leicht bearbeitbar.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen, der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. 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 Zwischenlager
    • Fig. 3 den Kern der Hybridschaufel
    • Fig. 4 den Mantel der Hybridschaufel
    • Fig. 5 den Schaufelfuß
    • Fig. 6 einen Längsschnitt
    • Fig. 7 einen Querschnitt durch die Schaufel
  • Der Kern hat das Bezugszeichen 1, er ist einstückig, U-förmig und von einem Schlitz 2 durchsetzt, der sich in Längsrichtung der Schaufel erstreckt und nicht über die gesamte Länge geht, wie Fig. 3 zeigt, sondern an einer Basis früher endet. Die Breite des Schlitzes ist so bemessen, daß sie den Isolator 3, dargestellt in Fig. 2, der der Verbindung zwischen Kern 1 und Mantel 4 dient, aufnehmen kann. Der Mantel 4 hat eine größere Höhe als der Kern und einen Hohlraum 8 im Zentralbereich für die Aufnahme des Kerns 1. Der Fuß ist mit 5 bezeichnet und nimmt das Hemd 4 auf in einer Ausnehmung 6. Der Mantel hat einen Stift 7, der im Schlitz 2 zu liegen kommt.
  • Der Fuß 5 z.B. ein Schwalbenschwanzfuß oder ein Tannenbaumfuß nimmt auch den U-förmigen Kern 1 umgekehrt in seinem Zentrum auf. Er ist bevorzugt aus metallischem Material, gleich oder ähnlich wie der Kern 1 hergestellt, bevorzugt durch Erodieren aus Vollmaterial. Er kann auch in einem Feingußverfahren hergestellt werden.
  • Der Mantel 4 aus hochtemperaturfester Keramik wird vorzugsweise hergestellt durch Spritzguß eines sinterfähigen SiC-Materials oder Si 3N4 oder durch kaltisostatisches Pressen eines Keramikpulvers in einer Form mit Kern und nachfolgender Bearbeitung des Grünlings zur Beinaheendform.
  • Der Kern 1 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 darin in üblicher Weise z.B. durch Fräsen hergestellt wird, wird an seinen Berührungsflächen mit dem Isolator 3 und dem Stift 7 geschliffen. Aber auch eine andere Feinbearbeitung ist anwendbar, die geeignet ist, glatte Parallelflächen zu liefern wie sie auch an dem Isolator gewünscht sind. Es soll hierdurch eine leichte Verschiebung von Mantel und Kern infolge Wärmedehnung im Betrieb ermöglicht werden. Die Parallelität der Auflageflächen zueinander sollte z.B. kleiner als 0,5µm sein. Der Isolator 3 sollte bevorzugt aus teilstabilisiertem Zirkonoxid als hochtemperaturfeste Keramik bestehen, insbesondere Y203 in Zr02.
  • Die Montage der neuen Hybridschaufel ist wie folgt:
    • Zunächst kommt der Isolator 3 auf dem Stift 7 des Schaufelmantels am oberen Ende des Schlitzes 2 zu liegen, wenn der U-förmige Kern umgekehrt in Schaufellängsrichtung von oben in den Mantel 4 hineingeschoben wird. Der Isolator 3 kann jetzt nicht mehr herausfallen. Mantel 4 und Kern 1 werden zusammengehalten und in den Schaufelfuß 5 hineingeschoben.
  • Danach werden Kern 1 und Fuß 5 von der Unterseite des Fußes her miteinander fest verbunden.
  • Es ist statt der dargestellten Ausführung auch möglich, den Kern 1 bis zur Spitze des Mantels 4 hin konisch zulaufen zu lassen, was eine Gewichtsersparnis und Entlastung des schaufelseitigen Endes des Kernes zur Folge hat. Zwischen Mantel 4 und Kern 1 kann noch ein Leitblech 9 oder dergl. Element zur Führung von Kühlluft durch die (nicht dargestellte) Radnabe und/oder Turbinenscheibe (Rotor) und durch den Fuß 5 in den Zwischenraum 10 der dann als Kühlluftkanal dient und einen Teil des Hohlraums 8 bildet (Fig. 5).
  • Das Leitblech 9 kann zugleich dem Strahlungsschutz dienen, d.h. es schirmt den Kern 1 vor Wärmeübergang vom Schaufelmantel 4 ab. Das Leitblech 9 berührt den Mantel 4 nicht, sondern ist mit Abstand zu Mantel und Kern im Fuß 5 befestigt, insbesondere eingelötet (Fig. 6).

Claims (19)

1. Schaufel für Strömungsmaschinen mit einem mit dem Schaufelfuß verbundenen metallischen Kern und einem diesen mit Abstand umgebenden keramischen Schaufelmantel, der über einen den Kern durchquerenden keramischen Stift mit dem Kern verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (7) mit dem Schaufelmantel (4) einstückig ausgebildet ist, daß der Kern (1) U-förmig gestaltet ist, daß er mit seinen Schenkelenden über den Stift (7) in Schaufellängsrichtung in den Schaufelmantel (4) soweit einschiebbar ist, daß die Basis des Kerns (1) unter Zwischenlage eines Isolators (3) auf dem Stift (7) aufliegt und die Schenkelenden des Kerns (2) im Schaufelfuß (5) unlösbar festgelegt sind.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingelegte Isolator ein feinbearbeitetes insbesondere geschliffenes Stück mit Parallelflächen zur den Anlageflächen in Bezug auf Kern bzw. Stift 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 dergleichen 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 Hochtemperaturkeramik 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 bearbeitet ist.
11. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus einem teilstabilisierten 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 Strahlungsschutz zwischen Kern und Mantel angeordnet ist und dieses Leitblech den Mantel nicht berührt.
14. Schaufel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kern und Leitblech Kühlluft einführbar ist und/oder der Kern kühlbar ist.
15. Schaufel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kern längsgerichtete durchgehende Kühlkanäle angeordnet sind.
16. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz im Kern zur Aufnahme von Isolator und Stift des Hemdes eine größere Breite besitzt und eine erheblich größere Länge bzw. Tiefe als Isolator und Stift.
17. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, der hochkantig im Schlitz angeordnet ist.
18. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator auf dem Stift im zusammengebauten Zustand im Gleit- oder Schiebesitz angeordnet ist.
19. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Kern und Hemd einlegbare Isolator in Quaderform mit quadratischem Querschnitt ausgebildet ist.
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