DE2717404A1

DE2717404A1 - Gegossenes turbinenrad sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2717404A1
Application number: DE19772717404
Authority: DE
Inventors: Virgil Vasile Stanciu
Original assignee: TEMPCRAFT TOOL AND MOLD
Current assignee: TEMPCRAFT TOOL AND MOLD
Priority date: 1976-04-22
Filing date: 1977-04-20
Publication date: 1977-11-03
Also published as: GB1568906A; CA1043266A; US4139046A

Description

«f.

17.579/00 60/ei

TU4PCRAFT TOOL & MOLD, INC.
Cleveland, Ohio / USA

Gegossenes Turbinenrad sowie Verfahren zu seiner Herstellung

7098A4/0892

Beschreibung

Die Erfindung betrifft vor allem Turbinenläufer, Jedoch ebenfalls Turbinendüsen. Ein typisches drehendes Turbinenrad bzw. Turbinenläufer besteht aus einer mittleren Nabe und einer Reihe von Schaufeln mit Flügelprofil, die radial von der Nabe abstehen. Im Falle eines metallenen Turbinenrades wird zur Herstellung vor allem ein Pressgussverfahren angewandt, welches ein vorgefertigtes Modell aus Wachs oder irgend einem anderen geeigneten Material benötigt. In Fällen, in denen die Metallkerne infolge von Hinterschneidungen nicht aus dem Modell herausgenommen werden können, wird das Modell aus einzelnen Schaufelabschnitten aufgebaut, die in komplizierten Schablonen-Aufspannvorrichtungen miteinander verschweisst werden. Ein unvermeidlicher Nachteil dieser Verfahrensweise liegt darin, dass für die getrennte Ausformung der Schaufeln und ihre Zusammenfügung und Verbindung in einem Rad erheblicher Zeitbedarf erforderlich ist. Darüberhinaus sind komplizierte Schablonen-Aufspannvorrichtungen erforderlich, um ein fertiges Rad zu erhalten, welches innerhalb annehmbarer Toleranzgrenzen liegt.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Wachsmodellen liegt darin, einzelne lösliche Wachseinsätze oder Wachskerne in einem Formkasten zu verwenden, wobei das Wachs injiziert wird und die löslichen Teile durch Auflösung in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass einerseits hoher Zeitbedarf für die Injektion der löslichen Einsätze angesetzt werden muss und andererseits lösliches Material nach seiner Lösungverlorengeht, wobei schliesslich eine Massungenauigkeit der

709844/0892

löslichen Einsätze infolge von Schrumpfungen und Verziehungen während des Ausformvorganges der löslichen Einsätze unvermeidlich ist.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, das Erfordernis einer Herstellung und Zusammenfügung einzelner Schaufelabschnitte oder -segmente zu vermeiden. Dies erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass eine zweistückige Nabe ausgeformt wird, die im wesentlichen in der Mitte ihrer axialen Länge geteilt ist. Die greifbügelartigen Schaufeln sind integraler Bestandteil der Nabe, wobei jede Schaufel an jeder Hälfte der Nabe auftritt. Die beiden Nabenhälften werden sodann ineinandergesetzt und zur Bildung eines vollständigen Rades mit exaktem Abstand benachbarter Schaufeln, die in der oben erläuterten Weise einander in Umfangsrichtung übergreifen können, verschweisst oder verschmolzen.

Wie weiter unten noch näher erläutert ist, ist es erheblich wirtschaftlicher, zwei Hälften auszuformen und diese miteinander zu verbinden, als eine Mehrzahl von Schaufeln auszuformen und eine komplizierte Aufspannvorrichtung zur Positionierung und Verbindung der Schaufelteile oder Schaufeln zu verwenden. So würde beispielsweise ein Turbinenrad mit 40 Schaufeln eine Herstellung von 40 einzelnen Schaufeln erfordern, während erfindungsgemäss lediglich zwei Hälften hergestellt werden müssen, die je 20 Schaufeln aufweisen.

Wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch näher hervorgeht, ist die Erfindung auch bei anderen Turbinenrädern anwendbar, die nicht notwendigerweise aus Metall zu bestehen brauchen und/oder durch Pressguss erzeugt sein müssen. Beispielsweise können solche Turbinenräder auch aus keramischen Werkstoffen hergestellt werden, welche in zwei Hälften ausgeformt und sodann miteinander verschmolzen, verriegelt oder verklebt werden können, oder die an der

709844/0892

Welle der Turbine als zwei getrennte Bauteile gelagert werden können.

Mit der Erfindung wird weiterhin eine wesentliche Gewichtsverminderung des Turbinenrades dadurch geschaffen, dass zwei Halb-Gussstücke hergestellt werden, die an einer Seite hohl sind und durch eine geeignete Einrichtung mit ihren hohlen Seiten aneinander befestigt werden, so dass ein Turbinenrad mit einem hohlen Innenraum entsteht. Diese Gewichtsverminderung ist aus zwei Gesichtspunkten heraus von Vorteil: Zum einen bei Anwendung der Turbine im Flugzeugbau, wo eine Gewichtserhöhung der Antriebsanlage zu einer Verminderung der Nutzlast des Flugzeuges und damit des kaufmännischen Wirkungsgrades führt, und zum anderen unter dem Gesichtspunkt, dass die Materialkosten für das Turbinenrad durch die Gewichtsverminderung bzw. Materialeinsparung wesentlich vermindert werden. Darüberhinaus können die hohlen Abschnitte des Gussstückes als Kühlkanäle zur Wärmeabführung aus dem Rad benutzt werden, so dass insgesamt eine Auslegung auf höhere Turbinenrad-Temperaturen erfolgen kann, was den V/ärmewirkungsgrad verbessert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen.

Es zeigt:

Figur 1 eine Seitenansicht eines vollständigen erfindungsgemässen Turbinenrades;

Figur 2 eine Seitenansicht einer Hälfte des Turbinenrades gemäss Figur 1 bei der erfihdungsgemäs-. sen Herstellung;

709844/0892

Figur 3

Figur k Figur 5 Figur 6 Figur 7

Figur 8

Figuren und 10

Figur 11

Figuren

und

eine Seitenansicht der anderen Hallte des Turbinenrades bei der erfindungsgemässen Herstellung;

eine Draufsicht auf die Turbinenradhälfte gemäss Figur 2;

eine Draufsicht auf die Turbinenradhälfte gemäss Figur 3;

eine Draufsicht auf das Gesamtturbinenrad gemäss Figur 1;

einen Schnitt durch eine bekannte Form zur Herstellung der Turbinenradhälfte gemäss Figur 3 bzw. mit leichten Abänderungen der Turbinenradhälfte gemäss Figur 2;

eine Seitenansicht einer Form, welche den Umfang des gemäss Figur 7 geformten Radrandes vollständig umgibt;

den Figuren 2 und 3 entsprechende Ansichten eines ummantelten Turbinenrades oder einer Turbinendüse, welche einen kreisförmigen Mantel aufweist, der die radial äusseren Enden der Schaufeln verbindet;

einen Radialschnitt durch ein Turbinenrad mit einer hohlen Mittelkammer zur Durchleitung von Kühlmittel und

eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäss Turbinendüse.

In der Zeichnung ist ein Modell aus Wachs veranschaulicht, aus dem durch Pressguss ein metallisches Turbinenrad gefertigt werden kann. In den Figuren 1 und 6 ist ein vollstän-

7098AA/0892

diges Turbinenrad 10 mit einer Nabe 11a und 11b und einem einstückig damit ausgebildeten Radkranz 12a (Figur 5) bzw. 12b (Figur 4) veranschaulicht, der sich von der Nabe aus radial nach aussen erstreckt und in der aus den Figuren 4 und 5 ersichtlichen Weise einstückig mit Randabschnitten 13a und 13b ausgebildet ist. Das vollständige Turbinenrad 10 weist eine kontinuierliche und regelmässige Reihe von Schaufeln 14 auf, die sich von seinem Rand aus nach aussen erstrecken und eine gleichförmige Schaufelteilung besitzen. Alle Schaufeln sind in Umfangsrichtung gleichsinnig abgebogen, wobei benachbarte Schaufeln einander in Umfangsrichtung übergreifen oder überdecken, wie dies bei 15 in Figur 6 veranschaulicht ist.

Das vollständige Rad ist in zwei getrennte Radteile unterteilt, wie dies in den Figuren 2, 3, 4 und 5 veranschaulicht ist, wozu das Rad ungefähr auf der Hälfte zwischen den beiden Wabenteilen 11a und 11b geteilt ist. Jede Radhälfte gemäss Figuren 2 und 3 wird getrennt auf praktisch gleiche Weise abgegossen.

Wie insbesondere aus den Figuren 2 und 4 ersichtlich ist, weisen diese Radteile Durchmesser auf, die im wesentlichen den Randbereichen 13b bzw. 13a im fertigen Rad 10 entsprechen. Bei jeder der Radhälften gemäss Figuren 2 und 3 ist eine kontinuierliche regelmässige Reihe von Schaufeln 14a und 14b entlang des Umfangsrandes mit gleichmässiger Schaufelteilung vorgesehen, die genau der doppelten Teilung des fertigen Rades 10 gemäss Figur 1 entspricht. Zueinander passende Komplementärteile sind an den beiden Radhälften gemäss Figuren 2 und 3 vorgesehen und zeigen eine gegenseitige Stellung der beiden Radhälften an, in der die Schaufeln der beiden Radhälften genau in der ineinander eingreifenden Anordnung gemäss Figur 1 angeordnet sind und die er- · forderliche gleichförmige Schaufelteilung gemäss Figur 1 erreicht ist. In manchen Fällen kann hierfür eine Stelle

709844/0892

auf einer der Radhälften vorgesehen sein, die beispielsweise als Vorsprung ausgebildet ist und in eine Ausnehmung an der anderen Radhälfte eingreift, wenn die beiden Radhälften zusammengefügt werden, also aus den Stellungen gemäss Figuren 2 und 3 aufeinander zugeführt werden, bis die Teile in der aus Figur 1 ersichtlichen Weise ineinandergreifen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch weist jede Schaufel 14a und 14b einen Fussabschnitt 16a und I6b auf, der einstückig mit dem zugeordneten Randabschnitt ausgebildet ist und als regelmässiges Trapezoid mit einer Neigung von etwa 15° gegenüber der Vertikalen ausgeformt ist, wie dies aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, wobei jeder Fussabschnitt 16a bzw. 16b eine Gesamtlänge aufweist, die etwa der doppelten Breite des Randes 13a oder 13b entspricht, so dass die Schaufeln 14a und 14b auf den Fussabschnitten bei ihrer Zusammenfügung gemäss Figur 1 derart angeordnet sind, dass sie eine kontinuierliche regelmässige Reihe von Schaufeln in derselben Horizontalebene oder Horizontalzone bilden, wie dies aus Figur 1 ersichtlich ist. Die geneigte Anordnung der parallelen Seiten der Fussabschnitte 16a und 16b führt darüberhinaus zu einem wenigstens teilweisen Hintergreifen bei der Zusammenführung der Radhälften gemäss Figuren 2 und 3 zur Bildung des Rades gemäss Figur 1.

Die Form zur Herstellung der Radhälfte gemäss Figur 3 ist in den Figuren 7 und 8 veranschaulicht. In Figur 7 ist der Mittelbereich des Rades mit dem Nabenteil 11a, dem Radteil 12a und dem Randbereich 13a sichtbar. Dieser Teil der Form ist in der an sich üblichen Weise ausgebildet. Die Schaufelabschnitte 14a werden zusammen mit den einstückigen Fussabschnitten 16a durch die Formausbildung gemäss Figur 8 erzeugt. Die Fussabschnitte 16a bzw. - gemäss Figur 2 - 16b sind in der aus Figur 8 ersichtlichen Weise einstückig mit den zugeordneten Schaufeln 14a und, wie Figur 7 zeigt, mit dem Rand 13a_t dem Rad 12a und der Nabe 11a einstückig ausge-

709844/0892

bildet ^Die Trennlinien entlang derer die Formhälften gemäss Figur 8 zusammengesetzt sind und getrennt werden können, sind durch die gestrichelten Linien 17 und 18 in Figur 8 und die Linie 12c in Figur 7 veranschaulicht. Die Form zur Herstellung der Radhälfte gemäss Figur 2 entspricht im wesentlichen derjenigen, die vorstehend im Zusammenhang mit der Formhälfte gemäss Figur 3 erläutert ist.

Die Form oder das Modell der eben erläuterten Art ist zur Verwendung beim Pressguss eines metallenen Turbinenrades aus Wachs hergestellt und könnte mit nur ganz geringen Abänderungen zur Herstellung einer Form aus einem geeigneten Material zum Abguss eines metallenen Turbinenrades verwendet werden oder zur Ausformung eines Turbinenrades aus einem geeigneten keramischen Werkstoff. In jedem Falle ermöglicht die Teilung des Rades in zwei Radhälften in der erläuterten Weise bei überlappenden oder überdeckenden Teilen der Schaufeln, wodurch die Ausbildung in einer Form mit zwei in einer Richtung normal zur Trennlinie auseinanderbewegbaren Hälften unmöglich ist, eine Herstellung solcher Hälften durch bekannte Gusstechniken, so dass die Schaffung eines fertigen Turbinenrades aus zwei Teilen anstelle von vielen Teilen wesentlich vereinfacht wird.

Das vorstehend erläuterte Verfahren könnte auch zur Herstellung eines ummantelten Turbinenrades und/oder eines Düsenrades bzw. eines Leitrades mit einer ausseren Ummantelung, welche die ausseren Enden der Schaufeln gemäss Figuren 9 und 10 verbindet, verwendet werden. In diesem Falle sind die Teile 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, die Schaufeln 14a und 14b und die Fussabschnitte 16a und 16b ebenso ausgebildet, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 erläutert ist. Der Unterschied besteht jedoch in äusseren Mantelteilen 19a und 19b, die einstückig mit den zugeordneten Schaufeln 14a und 14b in kreisförmiger Anordnung

709844/0892

ausgebildet sind, so dass die Mantelteile 19a im wesentlichen spielfrei zwischen die Mantelteile 19b eingeführt werden können, wenn die beiden Radhälften zusammengefügt werden, so dass eine vollständige kreisförmige äussere Ummantelung um die äusseren Enden der Leitschaufeln 14a und 14b herum entsteht.

Das Turbinenrad wird auch bei dieser Anwendungsform aus zwei Hälften hergestellt, ebenso wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 1, 2 und 3 näher erläutert ist, jedoch sind die Nabenabschnitte 13a¹ und 13b¹ voneinander weggespreizt oder weggebogen, um eine innere Kammer 20 zu bilden, welche für eine innere Kühlung des Turbinenrades im Bedarfsfalle herangezogen werden kann. In einem solchen Falle tritt eine Einlassleitung 21 für Kühlmittel in Axialrichtung durch den Nabenteil 13a¹ ein und ist mit Zweigleitungen 21a und 21b versehen, die sich in einander entgegengesetzten Richtungen erstrecken, um das Kühlmittel an den Randbereich des Turbinenrades zu bringen, während eine Auslassleitung 22 für das erwärmte Kühlmittel axial aus dem Nabenteil 13b¹ herausgeführt ist.

In den Figuren 12 und 13 ist veranschaulicht, wie die Konstruktion gemäss den Figuren 9 und 10 zur Erzeugung einer Turbinendüse oder eines Turbinenleitrades ohne irgend einen Nabenteil verwendet werden kann. Den Figuren 9 und 10 entsprechende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die inneren Randabschnitte 13a werden zwischen die Randabschnitte 13b gefügt, während die äusseren Ummantelungsteile 19a zwischen die äusseren Ummantelungsteile 19b eingeführt werden. In diesem Falle ist keine innere Nabe vorgesehen, sondern ist der Leitring radial innen durch den inneren Randteil 23 begrenzt und besteht aus den Randteilen 13a und 13b, während der äussere Mantelring 24 aus den zusammengefügten Ummantelungsteilen 19a und 19b besteht.

709844/0892

Claims

Patent-(Schutz-)Ansprüche:

1. Gegossenes Turbinenrad wie radial offenes Laufrad, urn's '

manteltes Laufrad oder Leitring, mit einer kontinuierlichen und regelmässigen Reihe von sich am Umfang erstreckenden Schaufeln mit gleichmässiger Schaufelteilung, bei dem alle Schaufeln in Umfangsrichtung gleichsinnig gebogen sind und einander benachbarte Schaufeln einander in Umfangsrichtung überdecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (10) aus zwei Radhälften von je dem Durchmesser des Turbinenrades oder Leitringes besteht, die je eine kontinuierliche und regelmässige Reihe von Schaufeln entlang ihres Umfanges mit gleichförmiger Schaufelteilung aufweisen, die genau dem Doppelten der Schaufelteilung des fertigen Rades entspricht, dass einander komplementäre Einrichtungen an den beiden Radhälften zur Anzeige oder Festlegung einer vorbestimmten gegenseitigen Stellung der Radhälften vorgesehen sind, in der die Schaufeln (14) in genau der Teilung des fertigen Rades (10) und in gleichsinniger Biegerichtung liegen,und dass eine Einrichtung zur Festlegung der beiden Radhälften in der bestimmten gegenseitigen Stellung vorgesehen ist.

2. Turbinenrad nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Radhälfte Nabenteile (11a, 11b) aufweist, die einstückig mit den Schaufeln (14a, 14b) ausgebildet sind.

3. Turbinenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (14a, 14b) einen einstückigen Fussabschnitt (16a, 16b) aufweist, dass jede Radhälfte einen kreisförmigen Rand (13a, 13b) aufweist, dass die · Fussabschnitte U6a, 16b) der Oberfläche der radial

709844/0892

ORIGINAL INSPECTED

_ ο —

äusseren Seite des Randes (13a, 13b) angepasst sind und dass jeder Fussabschnitt (16a, 16b) eine der Schaufelteilung entsprechende Umfangsbreite aufweist, so dass die Fussabschnitte (16a, 16b) die Komplementäreinrichtungen zur Anzeige der vorbestimmten gegenseitigen Lage bilden und bei zusammengefügten Radhälften im wesentlichen spielfrei ineinandergreifen.

4. Turbinenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fussabschnitte (16a, 16b) parallele Seiten aufweisen, die zur Erzielung eines verriegelnden Hintergriffes zuweilen in einem Winkel zur Achse des Turbinenrades (10) gleiten.

5. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (14) an ihren radial äusseren Enden frei sind.

6. Turbinenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (14) eine ihre radial äusseren Enden miteinander verbindende ringförmige Ummantelung

7. Turbinendüsenrad oder Leitring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (14) einen kreisförmigen Fussring (23) ohne radial innere Wabe und einen kreisförmigen Mantelring (24) aufweisen, der ihre radial äusseren Enden verbindet.

8. Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenabschnitte (13a¹, 13b¹) innen hohl und so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Nabenteile (13a·, 13b¹) bei zusammengefügten Radhälften zur Gewichts- bzw. Materialersparnis für das Turbinenrad eine" Hohlkammer (20) umgeben.

709844/0892

9. Turbinenrad nach Anspruch O, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Durchführung von Kühlmittel durch die Hohlkammer (.20) zur Erhöhung der zulässigen Wärmebeaufschlagung des Rades und zur Ermöglichung einer Verwendung billigerer Materialien für einen äusseren Ringmantel.

10. Verfahren zur herstellung eines Turbinenrades wie eines radial freien oder ummantelten Turbinenrades oder eines Leitringes bzw. einer Turbinendüse, mit einer kontinuierlichen und regelmässigen Reihe von sich entlang des Radumfanges erstreckenden Schaufeln mit gleichförmiger Schauielteilung, bei dem alle Schaufeln gleichsinning in Umfangsrichtung gebogen sind und einander benachbarte Schaufeln einander in Umfangsrichtung überdecken, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Radhälften mit demselbben Durchmesser wie das fertige Rad getrennt geformt oder gegossen werden, wobei jede Radhälfte eine kontinuierliche und regelinässige Reihe von Schaufeln an ihrem Umfang in der fertigen Schaufelform mit einer solchen Schaufelteilung aufweist, die genau dem Doppelten der Schaufelteilung des fertigen Rades entspricht, wobei einander benachbarte Schaufeln einander nicht überdecken, dass eine Komplementäreinrichtung an den beiden Radhälften vorgesehen ist, welche eine gegenseitige Stellung zwischen den Radhälften anzeigt oder festlegt, in der die Schaufeln der beiden Radhälften zur Bildung des Schaufelkranzes des fertigen Rades in der Schaufelteilung des fertigen Rades und mit gleichsinniger Verbiegung angeordnet sind, und dass die beiden Radhälften so ausgerichtet und in dieser gegenseitigen Stellung aneinander befestigt werden.

709844/0892