DE1957614A1

DE1957614A1 - Verfahren zur Herstellung der Verbindung von gekuehlten oder ungekuehlten Laufschaufeln mit dem Schaufelkranz einer zugehoerigen Radscheibe

Info

Publication number: DE1957614A1
Application number: DE19691957614
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl-Ing Dr Hansen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1969-11-15
Filing date: 1969-11-15
Publication date: 1971-05-27
Also published as: FR2030885A5; DE1957614B2; DE1957614C3; GB1327278A; US3678555A; SE351695B

Description

Verfahren zur Herstellung der Verbindung von gekühlten oder ungekühlten Laufschaufeln mit dem Schaufelkranz einer zugehörigen Radscheibe.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung von gekühlten oder ungekühlten Laufschaufeln mit dem Schaufelkranz einer zugehörigen Radscheibe, insbesondere für Gasturbinentriebwerke mit einer hohen Wellendrehzahl.

In einem Gasturbinentriebwerk werden flüssige oder gasförmige Treibstoffe verbrannt und die Verbrennungsgase werden dann durch ein oder mehrere, mit Schaufeln versehene Turbinenräder geleitet, um Schubleistung oder Wellenabtriebsleistung zu erzeugen. Den Wirkungsgrad dieses Prozesses bestimmen entsoheidend die Gestaltung der Schaufel und die Gastemperatur am Eintritt in die Turbinenbeschaufelung. Höhere Wirkungsgrade, d.h., einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch, kann man durch eine Steigerung der Gastemperatur erreichen. Die Grenz-

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temperatur bestimmen letzten Endes die eingesetzten Schaufelwerkstoffe, deren Festigkeit mit steigender Betriebstemperatur abnimmt.

Heute und in absehbarer Zeit beherrschen die Nickel- und Kobaltlegierungen das Gebiet der Turbinensehäufein. Mit diesen Werkstoffen lassen sich Bauteiltemperaturen bis etwa Io5o ° C beherrschen. Noch höhere Temperaturen sind nur dann zu erreichen, wenn die Schaufeln von innen gekühlt werden.

Diese hochwarmfesten Werkstoffe, aus denen Turbinensehäufein gefertigt werden, lassen sich aber nur noch mit großen Schwierigkeiten verformen, so daß man in der Regel dazu übergegangen ist, die Schaufeln als Gußteil herzustellen. Darüber hinaus haben die hochwarmfesten Schaufelwerkstoffe gegenüber den schmiedbaren Legierungen den entscheidenden Nachteil, daß sie spröde und deshalb riss- und kerbempfindlich sind. Diesen Nachteil nimmt man bei einer Konstruktion notgedrungen in Kauf, beschränkt aber den Einsatz der hochwarmfesten Legierungen auf den Bereich des Gasturbinentriebwerkes, in welchem es in erster Linie auf die Temperaturbeständigkeit ankommt.

Bei Gasturbinentriebwerken höherer Leistung, d.h. mit mehr

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als 5oo PS, werden die Turbinenschaufeln in der Regel ge-

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trennt gefertigt und in die Turbinenräder erst bei der Triebwerksmontage eingesetzt. Hier gibt es die verschiedensten Gestaltungsmöglichkeiten für den Schaufelfuß, beispielsweise als Tannenbaumfuß, Hammerkopffuß odgl. In diesem Fall können die Turbinenscheiben, welche im Betrieb bei weitem nicht so heiß werden wie die Schaufelblätter, aus einer zähen, hochfesten und schmiedbaren Legierung hergestellt werden. Durch die genannten Schaufelfußausbildungen (Tannenbaumfuß, Hammerkopffuß) ergibt sich aber eine komplizierte und deshalb mit hohen Unkosten verbundene Herstellung der Schaufeln und zwar insbesondere dann, wenn die Schaufeln zur Erzielung einer hohen Turbineneintrittstemperatur des Gasturbinentriebwerkes gekühlt werden sollen, also der Schaufelfuß zusätzlich mit Bohrungen oder Kanälen ausgestattet werden muß, von wo das Kühlmittel dem hohlen Schaufelblatt oder innerhalb der Schaufel angeordneten Kühlkanälen zugeführt werden soll.

Insbesondere bei Gasturbinentriebwerken kleinerer Leistung mit hohen Wellendrehzahlen ( ho ooo Umdrehungen pro Minute und mehr) hat es sich gezeigt, daß die vorgenannten Schaufelfußausbildungen wegen der auf die Schaufeln einwirkenden, hohen Zentrifugalkräfte und der dadurch verursachten Werkstoffanstrengungen zu"Schaufelbrüchen und damit zu Beschädigungen des Laufrades führen können.

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Weiter bereitet der Einsatz mit den genannten Schaufelfußausbildungen ausgerüsteter Laufschaufeln bei kleineren Gasturbinentriebwerken dadurch erhebliche, bearbeitungstechnische Schwierigkeiten, weil infolge der relativ kleinen Durchmesser der Laufradscheiben die Formtolleranzen der kleinen Bauteile extrem eng werden.

Diese Tatsachen führten zwangsläufig zu den sogenannten "integral gegossenen Turbinenrädern", bei denen Schaufeln und Radscheibe aus einem Stück gegossen sind. Für den Einsatz eines in solcher Weise hergestellten Laufrades im heißgasseitigen Bereich eines Gasturbinentriebwerkes kommt - wegen der hohen Temperaturbelastung in diesem Bereich - als Gußwerkstoff nur eine hochwarmfeste Schaufelgußlegierung in Frage, welche aber infolge ihrer Sprödigkeit riß- und kerbempfindlich ist, so daß es hierbei, insbesondere im Bereich der Schaufelwurzeln, oftmals zu Schaufelbrüchen kommt.

Darüber hinaus bereitet es fertigungstechnische Schwierigkeiten, solche Turbinenräder einschließlich der Turbinenschaufeln im Bedarfsfalle mit Kühlmittelkanälen auszustatten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher bekannten Schaufelfußbefestlgungen am Laufrad zu beseitigen und eine formschlüssige, dauerhafte und mit relativ

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geringem fertigungstechnischen Aufwand herstellbare Verbindungen der Laufschaufeln mit einer zugehörigen Radscheibe zu erzielen und zwar auch dann, wenn die Laufschaufeln im Bedarfsfalle über die Radscheibe mit einem Kühlmittel beaufschlagbar sein sollen. Darüber hinaus soll die Erfindung jeweils nach dem zu erwartenden betrieblichen Einsatz bei einem Gasturbinentriebwerk die Wahl eines geeigneten Schaufelwerkstoffes und eines geeigneten Werkstoffes für die zugehörige Radscheibe ermöglichen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Verbindung von gekühlten oder ungekühlten Laufschaufeln mit dem Schaufelkranz einer zugehörigen Radscheibe vor, bei dem jede Laufschaufel mit einem - bezogen auf die Ebene der Schaufelkranzoberfläche - dreieckförmigen, den Schaufelfuß bildenden Segment versehen wird und jeweils zwei, aneinander gegenüberliegenden Seiten mit einem in Entsprechung zur vorderen und hinteren Stirnkante des Schaufelkranzes abgebogenen Kragen ausgestattete Segmente so von beiden Seiten auf den Schaufelkranz aufgesetzt werden, daß die längeren freien Stirnenden der beiden Segmente auf der Oberfläche des Schaufelkranzes deckungsgleich aneinanderstoßen, worauf sie an dieser Stelle zusammengeschweißt werden und so ein den Schaufelkranz an der Oberfläche sowie im Bereich der Stirnkanten umschließendes Scfraufelpaar bilden.

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Zweckmäßig wird hierbei für das jeweilige Verbinden zweier dreieckförmiger Segmente untereinander das Elektronenstrahlschweißverfahren angewendet.

Nachdem das erste Schaufelpaar an den Segmenten verschweißt worden ist,kann der Auslauf der Elektronenstrahlschweißnaht für das Heften eines nächstfolgenden, auf den Schaufelkranz aufgesetzten Segmentes herangezogen werden. Die übrigen Querfugen zwischen den Segmenten jeweils zweier benachbarter Schaufelpaare können unverschweißt bleiben, um damit durch unterschiedliche Temperaturbeeinflussungen der Schaufeln und dei](Radscheibe verursachte unterschiedliche Ausdehnungen der Schaufeln und der Radscheibe ausgleichen zu können.

Es kann weiter vorgesehen sein, daß die jeweilige- Elektronenstrahl schwöißung gleichzeitig auch eine Verbindung der zusammengeschweißten Segmente mit dem Schaufelkranz entstehen läßt. Für die Verbindung des letzten Schaufelpaares mit dem Schaufelkranz wird es zweckmäßig sein, die zugehörigen Segmente vorher mit Übermaß zu fertigen oder als Auswahlpassung herzustellen. Bei Fertigung mit Übermaß wird es erforderlich sein, die Segmente auf das Maß des verbleibenden Zwischenraumes, welcher für das Aufsetzen des letäen Schaufelpaares auf den Schaufelkranz verbleibt, abzuschleifen.

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Dieses Einpassen der zum letzten Schaufelpaar gehörigen Segmente ist hauptsächlich in den Schwankungen der aufgrund der vorangegangenen Verschweißungen sich ergebenden Schrumpfbeträge begründet.

Für die endgültige Befestigung der mit den Laufschaufeln versehenen Segmente am Schaufelkranz ist es erfindungsgemäß weiter vorgesehen, die Radscheibe im Bereich des Schaufelkranzes beidseitig mit koaxial zur Längsmittelachse der Radscheibe verlaufenden Ausnehmungen zur Aufnahme von Lotringen auszustatten, so daß weiter, nachdem sämtliche Laufschaufeln am Schaufelkranz befestigt sind, die mit den Laufschaufeln bestückte Radscheibe in einem Ofen derart erwärmt wird, daß die zuvor angebrachten Lotringe schmelzflüssig werden, wodurch zwischen dem Schaufelkranz und den Kragen der Segmente gebildete Lötfugen mit Lot ausgefüllt werden.

Sofern die Laufschaufeln mit einem umlaufenden Bund oder mit Schaufelfußsegmenten ausgerüstet, in einzelne Ausnehmungen des Schaufelkranzes oder in eine für alle Schaufeln gemeinsame, koaxial zur Radachse verlaufenden Ausnehmung des Schaufelkranzes einsetzbar sind, wird eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin gesehen, daß jedes dreieckförmige Segment als von den Laufschaufeln gesondertes Teil, bevor es auf den Schaufelkranz

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ausgesetzt wird, mit einer in Entsprechung zur jeweiligen Schaufelform ausgebildeten Öffnung ausgestattet wird, mit deren Hilfe es den Bund oder das Schaufelfußsegment einer in den Schaufelkranz eingesetzten oder einzusetzenden Laufschaufel sowie diese selbst eng umschließt.

Diese Verbindung der Laufschaufeln mit dem Laufrad ist geeignet, neuartige Schaufelwerkstoffe, insbesondere bei kleinen Gasturbinentriebwerken mit einer hohen Wellendrehzahl, einzusetzen. Es lassen sich hierbei also beispielsweise Schaufelwerkstoffkombinationen aus einem fadenförmigen Stützmaterial und matrixähnlicher Füllmaterie vorstellen oder Schaufeln, die aus einem Sintermaterial hergestellt worden sind. Auch bei dieser erfindungsgemäßen Lösung werden jeweils zur Bildung eines Schaufelpaares jeweils zwei dreieckförmige Segmente in der bereits beschriebenen Weise auf den Schaufelkranz aufgesetzt, dann durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden, wonach, sobald das Laufrad gänzlich mit Laufschaufeln bestückt worden ist, die endgültige Befestigung der Laufschaufeln und/der zugehörigen Segmente am Schaufelkranz durch Schmelzflüssigwerden von in den Schaufelkranz eingebrachten Lotringen erfolgen kann.

Durch zwei Ausführungsbeispiele wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert.

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In den Zeichnungen ist

Pig. 1 ein Laufradabschnitt mit einem daran befestigten Laufschaufelpaar in der Ansicht von oben und in einer ersten Ausführungsform.,

Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie II - II der Fig. 1,

Fig. 3 ein Laufradabschnitt mit einem daran befestigten Laufschaufelpaar in der Ansicht von oben, jedoch in einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie IV - IV der Fig. 3.

Wie in Fig. 1 dargestellt, bilden jeweils zwei, im wesentlichen flächengleiche, dreieckfö'rmige Segmente 1, 2 mit den daran befestigten Laufschaufeln 3* 4 ein Schaufelpaar. Die Segmente 1, 2 werden in Richtung der Pfeile 5, 6 auf den Schaufelkranz der abgebrochen dargestellten Radscheibe 8 aufgesetzt. Mit seitlich abgebogenen Kragen 9, Io umgreifen die Segmente 1, die abgerundeten Stirnkanten 11, 12 sowie jeweils einen Teil der sich beidseitig nach innen verjüngenden Stirnseiten der Radscheibe 8.

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" ^lo "

Entlang der Linie IJ (Fig. 1) werden die Segmente 1, 2 miteinander verschweißt. Entsprechend dem verlängerten Ende l4 der Linie 15 kann die auslaufende Schweißnaht zum Heften eines jeweils nächstfolgend auf den Schaufelkranz aufzusetzenden Segmentes, beispielsweise 15, herangezogen werden.

Wie weiter aus Pig. 2 ersichtlich ist, sind in den Schaufelkranz 7 Lotringe l6, 17 eingesetzt, welche durch Schmelzflüssigwerden eine Verbindung der Segmente 1, 2 mit dem Schaufelkranz 7 im Bereich der diesen umschließenden Kragen 9> Io herbeiführen. Beim Schmelzvorgang werden zwischen dem Schaufelkranz 7 und den Kragen 9, Io vom schmelzflüssigen Lot gegebenenfalls vorzufindende Zwischenräume mit Lot ausgefüllt.

Fig. 1 läßt weiter eine koaxial zur Radachse der Radscheibe verlaufende, in den Schaufelkranz eingebrachte Ausnehmung 19 erkennen, welche über Bohrungen 2o, 21 der Radscheibe 8 mittels vom Verdichter eines in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerkes abgezapfter Luft beaufschlagbar ist und von wo die Luft dann zur Kühlung der Laufschaufeln J5, 4 durch diese hindurchgeführt wird (Pfeile F).

Die Figuren J und 4 erläutern die Erfindung bei Anwendung von Laufschaufeln 22, 27>, welche mit flachen Schaufelfußsegmenten 24, 25 in eine umlaufende Ausnehmung 26 des Schaufelkranzes

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einsetzbar sind. Die in Richtung der Pfeile 28, 29 auf den Schaufelkranz 27 aufgesetzten, dreieckförmigen Segmente 3o, 31 weisen der jeweiligen Schaufelform im Bereich des Schaufelfußes angepaßte Öffnungen 32, 33 auf und umsehließen so die Schaufeln 22, 23 selbst sowie deren Schaufelfußsegmente 24, 25. Es besteht hierbei die Möglichkeit, die Laufschaufeln 22, 23 vor dem Aufsetzen der Segmente ~5o, 31 auf den Schaufelkranz 27 bereits in die öffnungen 32, 33 der Segmente einzusetzen oder aber erst die Laufschaufeln 22, 23 in den gewünschten Abständen zueinander in die Ausnehmung 26 einzusetzen und hiernach die Segmente 3o, 31 in Richtung der Pfeile 3o^!, 31^! mit den öffnungen 32, 33 über die Laufschaufeln 22, 23 zu schieben, wobei die Kragen "^h, 35» nachdem die Laufschaufeln 22, 23 in die Ausnehmung 26 eingesetzt sind, zum Umschließen der Stirnkanten 36, 37 des Schaufelkranzes 27 nach innen abgebogen werden können.

Sind zwei Laufschaufeln 22, 23 einschließlich der Segmente 30, 31 auf den Schaufelkranz 27 aufgesetzt, dann werden die Segmente 3o, 31 entlang der Linie 38 miteinander verschweißt. Wenn auch die übrigen Laufschaufeln in der beschriebenen Weise am Schaufelkranz 27 befestigt sind, erfolgt wiederum die endgültige Befestigung der Segmente 3°> 31 sowie aller übrigen in den Zeichnungen nicht weiter dargestellten Segmente mit dem Schaufelkranz 27 durch Schmelzflüssigwerden innerhalb von Ausnehmungen 39, 4o des Schaufelkranzes 27 befindlicher Lotringe.

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Um neben einer intensiven Kühlung der Laufschaufeln auch eine intensive Kühlung des jeweils einer Laufschaufel 22, 23 zugeordneten Schaufelfußsegmentes 24, 25 zu erzielen, ist unterhalb der Schaufelfußsegmente verlaufend, eine weitere, über Kanäle 4o, 4l der Radscheibe 8' mit Kühlluft beaufschlagbare Ausnehmung 42 im Schaufelkrana 27 angeordnet, von wo die Kühlluft in Richtung der Pfeile F^! in die Laufschaufeln, hier beispielsweise in die Laufschaufel 2j5 gelangt und diese durchströmt.

Die Erfindung ist darüber hinaus auch bei Laufschaufeln anwendbar, welche mit einem Fußprofil in der Art ei'nen kurzen, umlaufenden Bundes ausgestattet sind, mit dem sie in entsprechend ausgebildete, in gleichmäßiger Folge über den Umfang des Schaufelkranzes verteilt angeordnete Ausnehmungen einsetzbar sind (in den Zeichnungen nicht weiter dargestellt).

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Claims

sr/kn" 19676 U MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH. München, den lo. Nov.·1969 P at entansprüche

1. !Verfahren zur Herstellung der Verbindung von gekühlten oder ungekühlten Laufschaufeln mit dem Schaufelkranz einer zugehörigen Radscheibe, insbesondere für Gasturbinentriebwerke mit einer hohen Wellendrehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß jede Laufschaufel (j5* ^) mit einem - bezogen auf die Ebene der Schaufelkranzoberfläche - dreieckförmigen, den Schaufelfuß bildenden Segment (1, 2) versehen wird und jeweils zwei, an einander gegenüberliegenden Seiten mit einem in Entsprechung zur vorderen und hinteren Stirnkante (11, 12) des Schaufelkranzes (7) abgebogenen Kragen (9, lo) ausgestattete Segmente so von beiden Seiten auf den Schaufelkranz aufgesetzt werden, daß die längeren freien Stirnenden der beiden Segmente auf der Oberfläche des Schaufelkranzes deckungsgleich aneinanderstoßen, worauf sie an dieser Stelle zusammengeschweißt werden und so ein den Schaufelkranz an der Oberfläche sowie im Bereich der Stirnkanten umschließendes Schäufelpaar bilden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radscheibe im Bereich des Schaufelkranzes beidseitig mit koaxial zur Langsmittelachse der Radscheibe verlaufenden Ausnehmungen zur Aufnahme von Lotringen (16, 17) ausgestattet ist, und daß weiter, nachdem sämtliche Laufschaufeln am Schaufelkranz befestigt sind, die mit den Laufschaufeln bestückte Radscheibe (8) in einem Ofen derart erwärmt wird, daß die zuvor angebrachten Lotringe schmelzflüssig werden, wodurch zwischen dem Schaufelkranz und den Kragen der Segmente gebildete Lötfugen mit Lot ausgefüllt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die Laufschaufeln mit einem umlaufenden Bund oder mit Schaufelfußsegmenten ausgerüstet, in einzelne Ausnehmungen des Schaufelkranzes oder in eine für alle Schaufeln gemeinsame, koaxial zur Radachse verlaufende Ausnehmung des Schaufelkranzes einsetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dreieckförmige Segment (3o₄ 31) ^als von den Laufschaufeln gesondertes Element, bevor es auf den Schaufelkranz (27) aufgesetzt wird, mit einer in Entsprechung zur jeweiligen Schaufelform ausgebildeten Öffnung (32, 33) ausgestattet wird, mit deren Hilfe es den Bund oder das Schaufelfußsegment einer in den Schaufelkranz eingesetzten oder einzusetzenden Laufschaufel sowie diese selbst eng umschließt.

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