DE1025421B

DE1025421B - Befestigung von Lauftschaufeln sproeden Werkstoffes in metallischem Schaufeltraeger

Info

Publication number: DE1025421B
Application number: DEM28639A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Herbert Scharf; Fritz Bauer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1955-10-31
Filing date: 1955-10-31
Publication date: 1958-03-06
Also published as: GB836030A; FR1163439A

Description

Die Befestigung von Laufschaufeln aus spröden Werkstoffen, z. B. keramischen, ist insofern schwierig, als auf den Tragflächen des Schaufelfußes eine völlig gleichmäßige Pressung erreicht werden muß. Die Empfindlichkeit der spröden Werkstoffe gegen Kerbspannungen bedingt nämlich, die Tragflächen keilförmig anzuordnen, und zwar mit einem verhältnismäßig geringen Keilwinkel. Damit ergeben sich aber schon bei verhältnismäßig geringen Fliehkräften größere Norfnälkräfte in den Keilebenen, die in den durch den Brennvorgang hervorgerufenen Erhöhungen der Tragflächen unzulässig hohe Druckspannungsspitzen erzeugen. Kleine Einbrüche bilden dann häufig Ausgangspunkte für die Zerstörung der Schaufeln.

Um den die Festigkeit von gebrannten Kerämikteilen erhöhenden Eigenspannungszustand nicht durch eine das »satte« Anliegen der Tragflächen herbeiführende Schleifbearbeitung zu stören, wurde schon ein poröser keramischer Überzug auf den Trägflächen des Schaufelfußes vorgeschlagen, mit dem eine gegenseitige Anpassung der einander berührenden Oberflächen durch Eindrücken des porösen Überzuges erreicht wird. Zwischen der Oberfläche des keramischen Überzuges und der stählernen Gegenfläche ergeben sich aber große Reibungskräfte, die den zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen erforderlichen Verschiebe- oder Gleitbewegungen großen Widerstand entgegensetzen.

Um solche Gleitbewegungen zu erleichtern, hat man schon vcm Schaufelfuß und Schaufelträger unabhängige Zwischenlagen angeordnet, die in einer besonderen Ausführungsform auch schon aus verschiedenen Werkstoffschichten bestanden, mit dem Zweck, die Gleitbewegungen in den einzelnen Schichten und den Wärmeübergang von der Schaufel zum Schaufelträger auf ein Minimum zu reduzieren. Aber auch diese mehrschichtigen Zwischenlagen genügen den hohen Erfordernissen bei der Befestigung von Laufschaufeln aus spröden Werkstoffen in metallischen Schaufelträgern noch nicht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß schon bei verhältnismäßig geringen Beanspruchungen ein sattes Anliegen in der Berührungsfläche von Beilage und Schaufelfuß erfolgen muß, wenn Druckspannungsspitzen mit Sicherheit vermieden werden sollen.

Die Erfindung betrifft also eine Befestigung von Laufschaufeln spröden Werkstoffs in metallischem Schaufelträger mittels zwischen Schaufel und Schaufelträger angeordneter mehrschichtiger Zwischenlage. Sie besteht darin, daß die Zwischenlage an ihrer der Schaufel anliegenden Seite eine erste Schicht aufweist, deren Werkstoff bei der durch die Fliehkraft verursachten Beanspruchung fließt und die von einem Mantel aus einem Werkstoff umhüllt ist, der bei der durch die Fliehkraft erzeugten Beanspruchung nicht fließt, daß ferner die Zwischenlage eine zweite Schicht aus einem Stoff aufweist, der bei der durch die Befestigung von Laufschaufeln spröden
Werkstoffes in metallischem Schaufelträger

Anmelder:

Maschinenfabrik
Augsburg-Nürnberg A. G.,
Augsburg 2, Stadtbachstr. 7

Dr. rer. nat. Herbert Scharf und Fritz Bauer, Augsburg, sind als Erfinder genannt worden

Fliehkraft erzeugten Beanspruchung sich nur elastisch verformt, und daß die Berührungsfläche der Zwischenlage mit der Schaufel so groß ist, daß die Druckbeanspruchung der Schaufel niedriger als die Druckfestigkeit des Schaufelwerkstoffes ist.

Das elastisch-plastische Verhalten dieser Verbundbeilage nach der Erfindung sei an Hand eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms in Fig. 1 erläutert. Auf der Ordinate sind die Druckspannungen a_ä und auf der Abszisse

Ae
Längenänderungen (Stauchungen) ε = — aufge-

tragen. Bei der erstmaligen Inbetriebsetzung des Schaufelträgers ergibt sich folgender Funktionsverlauf: Vom Ursprung 0 aus wird die Verbundbeilage zunächst nur elastisch verformt, und zwar bis zum Erreichen der Fließspannung der weicheren Anpassungsschicht im Punkt A. Bei weiterer Druckzunahme wird, da der Werkstoff der einen Schicht fließt, die Spannungszunahme relativ geringer und die Dehnung (Quetschung) größer sein, und zwar — wegen der begrenzten plastischen Verformbarkeit der Schicht — bis zum Punkt B. Von diesem Punkt an ist das Verhältnis a_d : ε im wesentlichen nur noch vom Elastizitätsmodul des Werkstoffes der anderen Schicht abhängig, d. h., die Verformungen sind bis zur maximal zulässigen Beanspruchung im Punkt C nur noch elastisch.

Bei Entlastung der Beilage verbleibt die Verformung ε₀ = 0 H- 0', wobei ö' durch den Schnittpunkt der über B verlängerten Linie C-B mit der Abszisse bestimmt wird.

Im Diagramm ist ferner vergleichsweise die Bruchspannung G_ajs eines keramischen Schaufelwerkstoffes eingetragen. Auf diese bezogen, zeigt es sich, daß die'Fließgrenze (Punkt A) des für die Anpassungsschicht verwendeten Werkstoffes unterhalb etwa 20% und die Fließ-

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grenze (Punkt D) des für die elastische Schicht verwendeten Werkstoffs oberhalb der zulässigen Betriebsspannung von 80¹Y₀, aber unterhalb jener Druckgrenze liegt. Die Fließgrenze des elastischen Werkstoffs ist also kleiner als die Druckfestigkeit des Schaufelwerkstoffs, wodurch "> die Sicherheit vor Zerstörung erhöht wird.

Im folgenden seien einige Ausführungsbeispiele von Verbundbeilagen für Befestigungen nach der Erfindung erläutert. Die schematischen Darstellungen zeigen in Fig. 2 bis 4 mehrschichtige Verbundbeilagen und Fig. 5 und 6 Anordnungen der Verbundbeilagen in der Befestigungsnut von Turbinenläufern.

In Fig. 2 bezeichnet 1 die unbearbeitete Tragfläche einer gebrannten keramischen Schaufel und 2 die glatt bearbeitete Stützfläche des Schaufelträgers. Zwischen beiden Flächen ist eine zweischichtige Verbundbeilage 3 angeordnet, die sich zusammensetzt aus einem mit einem Stahlmantel 4 umhüllten, verhältnismäßig weichen Metallplättchen 5, das z. B. aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung bestehen kann, und einem elastischen Plattchen 6, beispielsweise aus Cr - Ni-Stahl. Die beiden Plättchen 5 und 6 sind in der Berührungsfläche bzw. mit dem Mantel verschweißt oder hart verlötet. Die Stahlummantelung besteht aus einer Stahllegierung mit hoher Warmfestigkeit, z. B. mit Legierungszusätzen von Cr, Ni und W, und schließt im entspannten Zustand ein größeres Volumen ein als das des Plättchens 5. Dadurch kann das Plättchen 5 sich nach anfänglicher elastischer Dehnung bis zu einem Druck von etwa 8 kg/mm² ungehindert plastisch verformen und dabei den Unebenheiten der Fläche 1 anpassen. Der Innenraum des Mantels 4 ist nun so bemessen, daß er bei dieser Spannung voll ausgefüllt wird.

Über diese Belastung hinaus werden die weiteren Formänderungen also nur noch durch den Elastizitätsmodul des Plättchens 6 bestimmt, das zur Schaffung kleiner Reibungsbeiwerte auf seiner Anlageseite geschliffen ist, um bei schnellen Temperaturänderungen Gleitbewegungen zu ermöglichen.

Fig. 3 zeigt eine Verbundbeilage 3', bei der die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Sie ist für solche Befestigungen vorgesehen, bei denen die Fläche 2' nicht glatt bearbeitet ist. Um auch hier Gleitbewegungen in den Befestigungselementen herbeiführen zu können, ist das elastische Plättchen 6' mit einem Stahlband 7 überdeckt, das auf seiner der Fläche 2' zugewendeten Seite eine Auflage 8 aus einem weichen Metall, z. B. Kupfer, besitzt, das sich unter Einwirkung der Betriebsdrücke und Temperaturen der Rauhigkeit der Fläche 2' anpaßt. Die Gleitbewegungen finden bei der Verbundbeilage 3' in der Berührungsfläche 9 zwischen Plättchen 6' und Stahlband 7 statt.

Eine weitere Ausführung, die sich vor allem einfach und billig herstellen läßt, zeigt Fig. 4, wo eine Verbundbeüage 3" dadurch hergestellt ist, daß in ein flach gedrücktes Stahlrohr 10 ein Messinggeflecht 11 eingelagert ist. Das Messinggeflecht 11 übernimmt hier die Funktion des plastischen Plättchens 5 in Fig. 2 und 3.

In Fig. 5 und 6 ist 21 eine keramische Laufschaufel und 22 der Schaufelträger mit den keilförmig liegenden Tragflächen 1 und Stützflächen 2. Um die Verbundbeilage 3 und die Schaufel 21 in ihrer Lage zu sichern, sind bei der Ausführung nach Fig. 5 beide Beilagen 3 durch ein U-förmig gekröpftes Stahlband 23 verbunden, das in der Mitte eine Schlaufe 23 a aufweist, die in eine in den Schaufelträger 22 eingestochene Nut 24 mit trapezförmigem Querschnitt eingreift. Dadurch wird die Schaufel auch im Stillstand des Schaufelträgers gestützt. . . .

In Fig. 6 ist gleich das Stahlrohr 10 der Verbundbeilage 3" U-förmig gekröpft und in seiner ganzen Erstreckung mit dem Messinggeflecht 11 ausgefüllt. An Stelle der Schlaufe 23« in Fig. 5 ist in der Mitte an der unteren Seite des flach gedrückten Stahlrohres eine kleine Leiste 25 angeschweißt, die in die Nut 26 eingreift.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Gleitflächen der Verbundbeilagen nach der Erfindung noch durch chemische Behandlung, z. B. mit Molybdändisulfid, oder durch Einlagerungen von Graphit, z. B. im Gewebe 11, verbessert werden können. Um den Einfluß des Stahlmantels 4 bzw. des Stahlrohres 10 auf die plastische Verformung des Plättchens 5 bzw. des Gewebes 11 auf ein Minimum zu reduzieren, kann die an der Tragfläche 1 anliegende Seite der Ummantelung oder des Stahlrohres noch durch Schleifen oder Ätzung mit Säuren in ihrer Wandstärke verringert werden.

Claims

Patentanspruch ε-1. Befestigung von Laufschaufeln spröden Werkstoffs in metallischem Schaufelträger mittels zwischen Schaufel und Schaufelträger angeordneter mehrschichtiger Zwischenlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (3, 3') an ihrer, der Schaufel anliegenden Seite eine erste Schicht (5) aufweist, deren Werkstoff bei der durch die Fliehkraft verursachten Beanspruchung fließt und die von einem Mantel (4) aus einem Werkstoff umhüllt ist, der bei der durch die Fliehkraft erzeugten Beanspruchung nicht fließt, daß ferner die Zwischenlage (3, 3') eine zweite Schicht (6) aus einem Stoff aufweist, der bei der durch die Fliehkraft erzeugten Beanspruchung sich nur elastisch verformt, und daß die Berührungsfläche (1) der Zwischenlage (3, 3') mit der Schaufel (21) so groß ist, daß die Druckbeanspruchung der Schaufel niedriger als die Druckfestigkeit des Schaufelwerkstoffes ist.
2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgrenze des für die erste Schicht (5 bzw. 11) verwendeten Werkstoffes unterhalb etwa 20% der Druckfestigkeit des für die Laufschaufel (21) verwendeten Werkstoffes liegt.
3. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgrenze des für die zweite Schicht (6 bzw. 10) verwendeten Werkstoffes erst bei etwa 80°/₀ der Druckfestigkeit des für die Laufschaufel (21) verwendeten Werkstoffes erreicht wird.
4. Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (4,10) der erstgenannten Schicht (5 bzw. 11) aus Stahl ist.
5. Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (3' in Fig. 3) an ihrer dem Schaufelträger zugekehrten Seite eine dritte Schicht (8) aufweist aus einem Werkstoff, der weicher als derjenige der zweiten Schicht (6') ist, und daß diese dritte Schicht (8) auf ein Stahlband (7) aufgebracht ist, das an der zweiten Schicht (6') so befestigt ist, daß es auf der zweiten Schicht (6') gleiten kann.
6. Befestigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlmantel aus einem flach gedrückten Stahlrohr (10) und die unter der Fliehkraft fließende Schicht aus einem im Stahlrohr eingebetteten Messingdrahtgewebe (11) besteht.
7. Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Beilagen (3,3') durch ein U-förmig gebogenes Stahlband (23) miteinander verbunden sind.
8. Befestigung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlband (23) in der Mitte eine Schlaufe (23 a) aufweist, die in eine Nut (24) im Grunde der Befestigungsnut des Schaufelträgers (22) eingreift.
9. Befestigung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Messinggewebe (11) gefüllte flach gedrückte Stahlrohr (10) U-förmig gebogen ist.
10. Befestigung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des U-förmig gebogenen Stahlrohres (10) eine kleine Leiste (25) angebracht ist, die in eine Nut (26) im Grunde der Befestigungsnut des Schaufelträgers (22') eingreift.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen