DE2930465C2 - - Google Patents
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- DE2930465C2 DE2930465C2 DE2930465A DE2930465A DE2930465C2 DE 2930465 C2 DE2930465 C2 DE 2930465C2 DE 2930465 A DE2930465 A DE 2930465A DE 2930465 A DE2930465 A DE 2930465A DE 2930465 C2 DE2930465 C2 DE 2930465C2
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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
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
- B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts
- B22F7/064—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts using an intermediate powder layer
-
- 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
- F01D5/12—Blades
- F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren
zu ihrer Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
3. Eine derartige Turbinenschaufel und ein derartiges
Verfahren sind aus der GB-PS 10 78 153 bekannt.
Eine Vielfalt von Turbomaschinen, wie Gasturbinen, die
Axialverdichter oder -gebläse oder Bypassanordnungen aufweisen,
benutzen Vorsprünge, wie Mittel- oder Spitzenmantelringe
oder andere Dämpfungsmittel, um die Vibrationsbelastungen
auf die Schaufeln zu reduzieren. Da benachbarte
Oberflächen solcher Vorsprünge oder Mantelringe
sich während des Maschinenbetriebes in direktem Kontakt
befinden, tritt an den Kontaktpunkten eine Schlag- und eine
Art von Gleitreibung auf, die manchmal als Adhäsionsabrieb
bezeichnet wird. Es wird allgemein angenommen, daß der
Adhäsionsabrieb aufgrund einer Kombination von Schlagen
und Reiben geschehen kann, das eine wiederholte Wirkung
des Fressens von der Art erzeugt, wie sie durch Vibrationsbelastung
während des Betriebes der Gasturbine entsteht.
Ein solcher Adhäsionsabrieb kann zwischen der Art von
Vorsprüngen auftreten, wie sie oben erwähnt sind. Dabei
soll der Begriff "Vorsprung" eine Vielfalt von Höckern
oder Vorsprüngen auf einer Schaufel einschließen, die
zumindest einen Teil eines Mantelringes, einer Plattform
oder eines Dämpfungsteiles bilden.
Wie aus der eingangs genannten GB-PS 10 78 153 hervorgeht,
wurden die Kontaktoberflächen zwischen solchen Teilen mit
einem Überzug versehen, typischerweise aus Wolframkarbid
in einem Binder, wie Kobalt, der durch Sprühen oder
Elektroplattieren aufgebracht wurde. Es wurde jedoch festgestellt,
daß während des Betriebes der Gasturbine mit
einem solchen Überzug ein unerwünschtes Abspalten, Absplittern
und Abreiben solcher Überzüge zur vorzeitigen
Beschädigung des Vorsprunges führt, auf den er aufgebracht
war. Es wurde ferner festgestellt, daß die Zusammensetzung
und Struktur des Abriebmaterials während des Aufsprühens
schwer kontrollierbar sein kann, um reproduzierbare
Abriebeigenschaften aufrechtzuerhalten. Auch kann die
Steuerung der Dicke und des Oberflächenbildes schwierig
sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel und
ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten,
daß ein Adhäsionsabrieb dauerhaft vermieden wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß
den Patentansprüchen 1 bzw. 3 gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Turbinenschaufel ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß ein plättchenförmiger Preßling als
diskretes Bauteil auf der stark beanspruchten Kontaktoberfläche
der Turbinenschaufel befestigt wird. Dadurch wird
ein verbesserter Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit über
lange Betriebszeiten erreicht.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenschaufel
mit einem Mantelring in ihrer Mitte,
Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf die Schaufel
nach Fig. 1 längs der Linien 2-2,
Fig. 3 eine Teilansicht der Schaufel nach Fig. 2 und
Fig. 4 einen graphischen Vergleich zwischen dem Abriebkissen
nach der Erfindung und anderen Oberflächeneinrichtungen
zur Vermeidung des Adhäsionsabriebes.
In den Fig. 1 bis 3 ist eine typische Schaufel 12 einer
Gasturbine gezeigt, die zwei in der Schaufelmitte befindliche
Mantelringvorsprünge 10 aufweist. Während des Betriebes
sollen solche Mantelringe oder Vorsprünge an der
Oberfläche 14 (Fig. 1) mit ähnlichen Vorsprüngen von
benachbarten Schaufeln zusammenarbeiten, aneinanderliegen
oder aneinanderpassen.
Um das durch Flammsprühen aufgebrachte Abriebschutzsystem
auf WC-Basis auf Mantelringen in der Schaufelmitte, wie es
in gewissen Gasturbinen benutzt wird, zu verbessern, wurde
eine Vielfalt von Materialien einschließlich zusätzlich
durch Flammsprühen aufgebrachter Materialien und gesinterter
Abriebkissen 15 aus WC-Co untersucht. Anfängliche Tests
vor den tatsächlichen Maschinentests wurden auf Proben in
einer Vorrichtung ausgeführt, die Testoberflächen einer
Kombination aus Schlagen und Reiben aussetzte und dabei
eine wiederholende Aktion des Festfressens unter einstellbaren
Parametern der Aufschlaggeschwindigkeit, der Reibungsverschiebung,
des nominellen Kontaktdruckes und der
Massentemperatur des Probekörpers für eine gegebene Anzahl
von Schlag/Reibungszyklen erzeugte. In ersten Auswertungen
wurde erkannt, daß Abriebkissen 16 in Form von im wesentlichen
vollkommen dicht gesinterter Preßlinge aus WC-Co
eine deutliche Verbesserung in der Kombination aus Beständigkeit
gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit aufwiesen,
verglichen mit der durch Flammsprühen hergestellten
WC-Oberfläche. Dies ist in Fig. 4 durch die ausgezogenen
Linien dargestellt. Die Erkenntnis der ungewöhnlichen Verbesserung
in solchen Eigenschaften durch gesinterte Preßlinge
führte zu einer zusätzlichen Auswertung der Zusammensetzung
Wolframkarbid-Kobalt. In der folgenden Tabelle sind einige
der bei der Auswertung erhaltenen Daten zusammengefaßt.
Die gepreßten und gesinterten WC-Co-Proben, aus denen die Daten
der vorstehenden Tabelle gewonnen wurden, hatten eine Dichte im
Bereich von 14,2-15,0 g/cm³, was anzeigt, daß sie im wesentlichen
vollkommen dicht waren. Außerdem lag ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient
α über den beabsichtigten Betriebstemperaturbereich
von bis zu etwa 205°C im Bereich von etwa 4,87 bis zu
5,4×10-6 cm/cm/°C, was ihre Verträglichkeit mit dem Grundmetall
anzeigt, mit dem sie verbunden waren (dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
beträgt 8,47×10-6 cm/cm/°C). Bei dieser Probenserie
bestand die Titanlegierung nominell aus 6 Gew.-% Aluminium,
4 Gew.-% Vanadium und als Rest Titan (Ti-6-4-Legierung), und diese
Titanlegierung war das Grundmetall, an das die Proben hartgelötet
wurden.
Ein Vergleich der Daten der Beispiele 3 und 5, für die die gleiche
Zusammensetzung, aber Unterschiede hinsichtlich der Teilchengröße
und Verteilkung sowie der Verarbeitung gelten, zeigt,
daß das bevorzugte Ausführungsbeispiel mit mehr als
91 bis zu 95 Gew.-% WC und als Rest Co zu einer beträchtlich verbesserten
Abriebbeständigkeit führt. Die Probenkissen aus dem
WC-Co-Material wurden durch Induktionshartlöten mit Stützteilen
aus der Ti-6-4-Legierung unter Verwendung eines Hartlotes aus
einer Titanlegierung verbunden.
Nach der Feststellung der bevorzugten Nominalzusammensetzung von
94 Gew.-% WC, Rest Co mit einer verbesserten Kombination von
Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit wurden
weitere Vergleiche mit modifiziertem, durch Flammspritzen aufgebrachtem
WC-Co ausgeführt. Wie sich aus dem Vergleich der Eigenschaften
nach Fig. 4 ergibt, lagen die beiden flammgespritzten
Modifikationen B und C unterhalb der derzeit in Gasturbinen
angewendeten Modifikation A, während die Modifikation D etwas besser
war als das WC-Co-Kissen des Beispiels 3 und die Modifikation E
etwas besser war als die Modifikation A, aber schlechter als das
gepreßte und gesinterte Kissen. Obwohl der flammgespritzte Überzug
D eine gute Abriebbeständigkeit aufwies, die äquivalent dem
Preßling gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, zeigte er doch
Brüche sowie den Abfall von Teilen und dies zeigt eine ungenügende Schlagbeständigkeit
oder -zähigkeit an. Ein solcher Überzug wurde daher als
ungeeignet als ein Kontaktoberflächenmittel auf einer Turbomaschinenschaufel
angesehen, um sowohl Beständigkeit gegenüber
Adhäsionsabrieb und Schlageinwirkung zu liefern.
Die gesondert hergestellten, im wesentlichen vollkommen dicht gesinterten
Preßlinge auf der Grundlage von Karbiden, Nitriden und Boriden sind
im Handel erhältlich, z. B. zur Verwendung als Schneidwerkzeug.
Das Hartlöten solcher Teile an eine Turbomaschinenschaufel aus
einer Titanlegierung ergab jedoch einige ernste Probleme. Diese
Probleme beruhten zumindest teilweise auf der Veränderung der
mechanischen Eigenschaften aufgrund des Erhitzens der Titanlegierung,
z. B. der Ti-6-4-Art oberhalb ihrer β-Übergangstemperatur,
z. B. von etwa 954-982°C. Die üblichen Hartlotverfahren
erhitzen die gesamte Schaufel über diese Temperatur hinaus, obwohl
solche höheren Temperaturen nur an der Verbindungsstelle
erforderlich sind. Die Anwendung eines lokalisierten Aufheizverfahrens,
wie das Präzisionsvakuum-Induktionserhitzen zur Lokalisierung
der Anwendung der Hartlotwärme genau an dem gewünschten
Bereich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erwies sich
als geeignet, die nachteilige Wirkung des Erhitzens
einer Titanlegierung oberhalb ihrer β-Übergangstemperatur auf
einen Minimalwert zu halten.
Eine verwendbare Induktionsheizvorrichtung
ist in der US-PS 40 12 616 beschrieben,
auch wenn sie dort in etwas anderer Weise benutzt wird. Durch
Lokalisieren des im wesentlichen vollkommen dichten, gepreßten
und gesinterten WC-Co-Kissens 16 in Fig. 2 auf der Oberfläche 14
des Mantelringes nach den Fig. 1 und 2 mit einer Hartlotlegierung
18, die gemäß Fig. 2 zwischen dem Kissen 16 und der Oberfläche
14 angeordnet ist, können Induktionsheizspulen 20 um diesen
Mantelring 10 so angeordnet werden, wie es in Fig. 2 gezeigt
ist, um die geeignete Wärme lokal auf den Bereich des Kissens
16 anzuwenden, um das Kissen 16 an die Oberfläche 14 hart
zu löten. Durch die Anwendung eines solchen lokalisierten Heizverfahrens
kann die Bildung der β-Struktur, die durch Erhitzen
der Legierung beim Hartlöten des Kissens 16 auf die Oberfläche
14 über die β-Übergangstemperatur hinaus erfolgt, im wesentlichen
auf den Bereich an der Spitze des Mantelringes 10 begrenzt werden,
wobei die gestrichelte Linie 22 die etwaige Grenze angibt.
Die Heiztemperatur hängt von der Auswahl der Hartlotlegierung ab,
die zum Verbinden benutzt wird. Es sind viele Hartlote im Handel
erhältlich. Auf diese Weise wurde ein Abriebkissen mit der
Kombination der Eigenschaften Beständigkeit gegenüber Adhäsionshaftung
sowie Schlagzähigkeit an der Kontaktoberfläche eines
Schaufelvorsprunges angebracht, ohne
die mechanischen Eigenschaften der Schaufel zu beeinträchtigen,
an der der die Kontaktoberfläche tragende Vorsprung angebracht
ist oder mit der er einteilig ausgebildet ist.
In einem spezifischen Beispiel wurde ein Kissen, das allgemein
die bei 16 in den Fig. 2 und 3 gezeigte Gestalt aufweist, aus
dem Material des Beispiels 3 durch Hartlöten auf die Mantelringoberfläche
14 der Ti-6-4-Legierung bei einer Temperatur von
etwa 954°C im Vakuum unter Verwendung einer Titanhartlotlegierung
angebracht. Das Kissen wurde durch eine nicht-dargestellte Halteeinrichtung
an Ort und Stelle gehalten, und die Induktionsspulen
wurden etwa wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet. Das Ergebnis
war ein durch Hartlöten an dem Schaufelvorsprung befestigtes WC-Co-
Kissen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Es wird angenommen, daß die im wesentlichen vollkommen dicht
gesinterten Preßlinge nach der vorliegenden Erfindung
eine Dicke von mindestens etwa 0,25 mm erfordern, um das Brechen
während der Handhabung zu vermeiden. Eine Dicke von mehr als
1,5 mm ist wegen der Beständigkeit des benutzten
Kissens gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlag nicht erforderlich.
Die untersuchten Kissen hatten vorwiegend eine Dicke von 0,5 mm.
Zum Testen in einer Gasturbine wurden Abriebkissen aus dem
Material des Beispiels 3 hergestellt und mit Schaufelmantelringen
in deren Mitte, wie oben beschrieben, verbunden. Visuelle
Inspektionen wurden ausgeführt nach erstem Maschinenlauf
und nach 25 und 50 Stunden. Nach dem Auseinanderbauen ergab
die Inspektion ein ausgezeichnetes Aussehen. Die Kontaktflächen
auf dem Kissen waren nur zu einem hellen glatten Aussehen
poliert. Es gab kein Anzeichen von Lot- oder Kissenbrüchen
bei 10facher Vergrößerung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere Prozeduren
zum lokalisierten Erhitzen angewandt werden, wie Hartlöten
mit einem Schweißbrenner, Widerstandshartlöten, Lasererhitzen,
Elektronenstrahlerhitzen usw.
Auch kann eine Vielzahl von Hartlotlegierungen in Form von Pulver,
Folie usw. bei der Durchführung des Vakuuminduktionshartlötens
unter Anwendung bekannter Verfahren zum Halten der Hartlotlegierung
an Ort und Stelle benutzt werden. So wird z. B. hierfür
häufig Acrylzement benutzt.
Die Hartlotlegierung und das jeweilige Material des Kissens wird
in Abhängigkeit von den Bedingungen beim beabsichtigten Einsatz
und dem Material der Schaufel, an dem das Kissen befestigt werden
soll, ausgewählt.
Claims (3)
1. Turbinenschaufel mit einem stromlinienförmigen
Abschnitt und einem davon vorstehenden Vorsprung, der eine
Kontaktoberfläche aufweist, die an einer Oberfläche eines
benachbarten Teiles anliegt und ein Adhäsionsabrieb vermeidendes
Abriebkissen aufweist, das eine verbesserte
Kombination aus Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb
und Schlagzähigkeit aufweist und das thermische Ausdehnungseigenschaften
hat, die mit dem Vorsprung über den
beabsichtigten Betriebstemperaturbereich verträglich sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Abriebkissen als plättchenförmiger, vollkommen dicht
gesinterter Preßling aus mehr als 91 bis zu etwa 95 Gew.-%
WC und als Rest Co besteht, eine Dicke von mindestens
0,25 mm aufweist und gesondert hergestellt ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Abriebkissen aus etwa 94 Gew.-% WC und als Rest Co
besteht.
3. Verfahren zum Herstellen der Turbinenschaufel
nach Anspruch 1 oder 2 durch Befestigen eines Abriebkissens
an der Oberfläche eines Vorsprungs von dem stromlinienförmigen
Schaufelabschnitt,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Abriebkissen ein vollkommen dicht gesinterter Preßling
hergestellt wird, das Abriebkissen auf der Kontaktoberfläche
mit einer Schweißlegierung zwischen dem Abriebkissen
und der Kontaktoberfläche in seiner Lage gehalten wird
und dann das Abriebkissen und die Kontaktoberfläche
verbunden werden, indem Induktionsheizspulen um den
Vorsprung herum in der Nähe des Abriebkissens und der
Kontaktoberfläche angeordnet werden und dann in Vakuum
Wärme lokalisiert um das Abriebkissen und die Kontaktoberfläche
durch die Induktionsheizspulen aufgebracht
wird.
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