DE1912253B2 - Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eir,e Turbinenschaufel mit mindestens einem im Bereich der Ein'-iliskante angeordneten, über die Schaufelblattlänge vorlaufenden Profilieil, welches aus einem hochhitzebeständigen Keramikmaterial besteht.

Bekannt ist eine Turbinenschaufel dieser Gattung, iüic an ihren thermisch besonders beanspruchten Eintritts- und Austrittskanten aus Keramikmaterial bestellende Profilteile aufweist. Diese Profilteile weisen an Ihrer dem Schaufelblatt zugekehrten Innenkante einen längs verlaufenden verdickten Steg auf. Dieser Steg ivird nach Art einer Schwalbenschwanzführung in einer tntsprechend ausgebildeten Nute des Schaufelblattes gehalten. Damit sind die Profilteile ausreichend sicher mit dem Schaufelblatt verbunden. Keramikmaterial kann jedoch keine Zugspannungen aufnehmen. Damit besteht die Gefahr, daß die Profilteile durch die bei den liohen Drehzahlen auftretenden Fliehkräfte mechanisch über ihre Zugfestigkeit hinaus belastet werden. Im Keramikmaterial können damit Risse auftreten (US-PS 32 15 511).

Bekannt ist auch eine ganz aus Keramikmatcrial bcitehcnde Turbinenschaufel. In Längsrichtung verlaufen llurch diese Spannstangen. Sie sind nach Art von Hohlliieten ausgebildet. An ihrem oberen und unteren Ende lind sie flachgeschlagen und liegen mit den dabei entstehenden Köpfen auf der oberen und unteren Profilfläche der Turbinenschaufel auf. Dieses Flachschlagen der Spannstangenenden bedingt einen besonderen Arbeitsgang. Besondere Sorgfalt muß aufgewendet werden, um sämtliche Spannstangen gleichmäßig zu spannen (US-PS 32 71 004).

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel so auszubilden, daß die Gefahr einer Rißbildung trotz und bei hoher Temperaturbeständigkeit an ihren thermisch hoch beanspruchten Teilen stark vermindert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gL-nuiß der Erfindung eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Gattung geschaffen, die gekennzeichnet ist durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Das Profilteil aus Keramikmaterial ist durch sich über die Schaufelblattlänge erstreckende Metalleinlagen in seiner Längsrichtung vorgespannt;

b) die Metalleinlagen sind säulenförmige Einkristalle, die an den Enden des Profilteiles festgelegt sind.

Die nach dem Teilmerkmal a) vorgesehe ien Profilteile aus Keramikmaterial bringen die Wärmefestigkeit an den thermisch beanspruchten Stellen. Die geringe Zugfestigkeit des Keramikmaterials wird durch die Vorspannung in Längsrichtung ausgeglichen. Damit können die Profilteile sowohl Druck- als auch Zugkräfte aufnehmen. Die Gefahr einer Rißbildung wird herabgesetzt.

Die gemäß dem Teilmerkmal b) als Metalleinlagen vorgesehenen säulenförmigen Einkn.uü- s.ehern eine gleichmüßige Vorspannung über der gesamten Fläche des Profilteiles. Die Einkristalle wachsen bei einem Gießvorgang als solche in Bohrungen des Profilteils hinein. Bei ihrer Abkühlung und Erstarrung schrumpfen sie stärker als auch das beim Gießvorgang erhitzte Keramikmatcrial. Damit wird das Profilieil auf seiner gesamten Fläche gleichmäßig in Längsrichtung vorgespannt. Auf ungleichmäßige Vorspannung zurückgehende innere Spannungen werden damit ausgeschaltet.

Damit ergibt sich eine Turbinenschaufel, die infolge der Kombination der beiden erfindungsgemäßen Teilmerkmale an ihrer thermisch besonders beanspruchten Stelle ein aus hochhitzebeständigcm Keramikmaierial bestehendes Profilteil aufweist, das wegen der über seiner Fläche gleichmäßigen Vorspannung auch gegenüber Zugbeanspruchung unempfindlich ist. Damit ist die Turbinenschaufel auch gegenüber mechanischen Beanspruchungen insgesamt widerstandsfähig.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das aus Keramikmaterial bestehende Profilieil sowohl an der Eintritts- als auch an der Austrittskante des Schaufelblattes vorgesehen ist.

Vorteilhafterweise sind die säulenförmigen Einkristalle mit dem Schaufelfuß und dem Schaufelkopf einstückig, und Schaufelfuß und Schaufelkopf liegen an dem aus Keramikmaterial bestehenden Profilteil an. Diese Ausbildung erleichtert die Fertigung. Sämtliche metallischen Teile der Turbinenschaufel lassen sich in einem Arbeitsvorgang gießen. Beim Guß entsteht zuerst der Schaufelfuß, aus dem die säulenförmigen Einkristalle emporwachsen, und anschließend vereinigen sich die Einkristalle wieder unter Bildung des Schaufelkopfes. Dabei ergibt sich von selbst, daß Schaufelfuß und Schaufelkopf am Profilieil aus Keramikmaterial anliegen und dieses dabei beim Schrumpfen iind Erstarren der säulenförmigen Einkristalle unter Vorspannung setzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Herstellung einer Turbinenschaufel beschrieben. Zur Erläuterung dient das in der Zeichnung gegebene Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung ist

F i g. 1 ein Längsschnitt durch eine Form zum Gießen der Turbinenschaufel und

F i g. 2 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. I.

Eine Form 4 steht auf einer verhältnismäßig kühlen, wärmeleitenden und vorzugsweise wassergekühlten Kühlplatte 6. Die Form 4 besteht vorzugsweise aus keramischem Material. Df.s Wasser für die Kühlplatte 6

wird durch Leitungen 8 zugeführt. Form 4 und Kühlplatte 6 umschließen einen Hohlraum 10. In diesen führt ein Einlauf 12, durch welchen geschmolzenes Metall zugeführt wird.

Den Hohlraum umschließt eine Einrichtung zum Erhil/.en der Form auf die für den Guß gewünschte Temperatur. Im gezeigten Fall handelt es sich um eine elektrische Widerstandsheizung 14. Der Hohlraum kann aber auch induktiv geheizt werden. Vor dem Guß wird die Form auf die gewünschte Temperatur erhitzt. Dann wird das geschmolzene Metall, das auf die für das Gießen erforderliche Temperatur erhitzt ist, in den Hohlraum 10 eingegossen. Die Kühlplatte 6 wird auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten, um in dem mit dem geschmolzenen Metall gefüllten Hohlraum 10 beim Erstarren des Metalls ein Temperaturgefälle zu erzeugen.

Eine weitere Form 16 ist in den Hohlraum 10 eingesetzt. Die Form 16 weist ein Eintrittskantenprofil 18 und ein Austrittskantenprofil 20 einer Schaufel auf. welehe bei 23 bzw. 25 mit dem Schaufelblatt 22 verbunden sind. Diese Ausbildung ist in F i g. 2 deutlicher dargestellt. Das Eintrittskantenprofil 18 und das Austrittskantenprofil 20 haben im wesentlichen die gleiche Ausbildung. Der Hauptteil 24 des Eintritiskantenprofils 18 besteht aus einer feuerfesten Masse mit einer verhältnismäßig niedrigen Zugfestigkeit von etwa 0,70 bis 70,3 kg/cm-. Das Gießen der Einkristalladern ermöglicht die Verwendung der Keramik-Masse mit dieser verhältnismäßig niedrigen Zugfestigkeit. Das Haupiteil 24 der beiden Profile 18 und 20 weist eine Vielzahl von Bohrungen 26 auf. Diese Bohrungen 26 sind Längsbohrungen. Sie erstrecken sich vom unteren Schaufelfuß 30 nach aufwärts zum Schaufelkopf 32 der Profile 18 und 20. Um das Wachstum einzelner Kristalle innerhalb dieser Längsbohrungen zu fördern, können sie am unteren Ende vereng! sein. Nach derm Eingießen von geschmolzenem Metall in den Hohlraum 10 und bei Be ginn der Erstarrung erhält dieses eine geregelte säulenförmige Struktur. Durch Anordnung einer kleinen Öffnung 36 oder einer Verengung wird das Wachstum einzelner Kristalle in den Längsbohrungen 26 gefördert. Die sich bildenden Metalleinlagen 38, die in den Längsbohrungen 26 wachsen, können am oberen Ende 32 der Profile zusammenwachsen. Dabei erhält der Schaufelfuß 30 die gleiche säulenförmige Kornstruktur wie der Schaufelkopf 32.

Nach diesem Guß und dem Wachsen der die Metalleinlagen 38 bildenden Einkristalladern wird die Schmelze abkühlen gelassen. Als Ergebnis dieser Abkühlung wird das Hauptteil 24 infolge eines Unterschiedes der Geschwindigkeiten des Schrumpfens der beiden Materialien vorgespannt. Mit anderen Worten, das aus Keramikmaierial bestehende Hauptteil 24 wi<d infolge der stärkeren thermischen Zusammenziehung der Einkristalle auf Kompression vorgespannt Diese Druckspannung, die im Hauptteil 24 entwickelt >ird, beseitigt die Rißkernbildung, bewirkt eine Schließur-: von Rissen bei erhöhten Temperaturen und beeinträchtigt die Ausbreitung von Rissen.

Die Metalleinlagen 38 können im Hauptteil 24 gleichmäC;2 oder ungleichmäßig verteilt sein, was von der Anordnung der Längsbohrungen 26 abhängig ist. Wie F i g. 2 zeigt, weist das Eintrittskantenprofil eine \erhältnismäßig gleichmäßige Verteilung auf, während das Ausirittskantenprofil eine ungleichmäßige Verteilung zeigt.

Bei manchen Ausführungsformen kann es erwünscht sein, daß das Hauptteil 24 Kühlmitteldurchlässe aufweist. Diese Durchlässe ergeben sich, wenn in einer der Längsbohrungen 26,7 ein Kristallwachstum unterbleibt, so daß dieser Durchgang für Kühlluft frei bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   !.Turbinenschaufel mit mindestens einem im Bereich der Eintrittskante angeordneten, über die s Schaufelblattlänge verlaufenden Profilteil, welches aus einem hochhitzebeständigen Keramikmaterial besteht, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) das Profilteil (18) aus Keramikmaterial ist durch sich über die Schaufelblattlänge erstrekkende Metalleinlagen (38) in seiner Längsrichtung vorgespannt;

   b) die Metalleinlagen (38) sind säulenförmige Einkristalle, die an den Enden des Profilteils (i8) festgelegt sind.
2. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilteil (18, 20) aus Keramikmaterial sowohl an der Eintritts- als auch an der Austrittskaniv. des Schaufelblattes (22) vorgesehen ist.
3. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die säulenförmigen Einkristalle mit dem Schaufelfuß (30) und dem Schaufelkopf (32) einstückig sind und Schaufelfuß (30) und Schaufelkopf (32) am Profilieil aus Ke~amikmaierial anliegen.