DE4409769A1 - Schaufelträger für Strömungsmaschinen und Verfahren zur Herstellung von Schaufelträgern - Google Patents

Schaufelträger für Strömungsmaschinen und Verfahren zur Herstellung von Schaufelträgern

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Description

Die Erfindung betrifft Schaufelträger für Strömungsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Verfahren zur Herstellung von Schau­ felträgern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe spielt in der Fertigungs­ technik eine erhebliche Rolle, da häufig innerhalb eines Teils unter­ schiedliche Eigenschaften gefordert werden, die nicht mit einem ein­ zigen Material erreicht werden können, so daß je nach Herstellung und Betriebsfunktion für einzelne Elemente eines Teiles einer Konstruktion unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden, um den Anforderungen gerecht werden zu können. Zum Beispiel kann der Wirkungsgrad von Gas- oder Dampfturbinen durch hohe Betriebstemperaturen verbessert werden. Turbinen-, Lauf- und Leitschaufeln aus Keramik-Werkstoffen ver­ bessern die Temperaturfestigkeit der Beschaufelung von Gas- und Dampf­ turbinen bei höheren Betriebstemperaturen. Von den Naben derartiger Gas- und Dampfturbinen werden von der Beschaufelung unterschiedliche Eigenschaften gefordert, so daß diese vorzugsweise weiterhin aus me­ tallischen Werkstoffen gefertigt sein sollen.
Bekannt ist es aus der DE-A 36 26 009, für eine Verbindung von me­ tallischen mit nichtmetallischen Teilen, z. B. Aluminium oder Alumi­ niumlegierungen mit Keramik, zuerst auf den nichtmetallischen Teil eine Metallschicht aufzudampfen und mit dieser dann den metallischen Teil zu verlöten. Diese Verbindung hat den Nachteil, daß sie mecha­ nisch wenig stabil und außerdem temperaturempfindlich ist. Die aufge­ dampfte Metallschicht geht mit dem nichtmetallischen Werkstoff nur eine Haftverbindung ein, die bei weitem nicht die Festigkeitswerte einer Schweißverbindung erreicht. Die Temperaturempfindlichkeit der Verbindung wird durch das Lötmittel verursacht, das bei relativ nied­ rigen Temperaturen zu schmelzen beginnt.
EP-A 0 458 630 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Herstellung oder Reparatur der Beschaufelung von Hochdruck-Kom­ pressor-Rotoren, sogenannter Blisks, mit engem Abstand der Schaufeln auf einer Nabe. Diesem Stand der Technik ist kein Hinweis auf unter­ schiedliche Materialien der Beschaufelung und der Nabe zu entnehmen, mit denen derartige Rotoren auch bei hohen Temperaturen zuverlässig betrieben werden könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es, Schaufelträger für Strömungsmaschinen zu schaffen, mit denen z. B. Gas- oder Dampfturbinen auch bei hohen Tempe­ raturen zuverlässig betrieben werden können und ein Verfahren zur Her­ stellung von derartigen Schaufelträgern zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Schaufelträgern für Strömungs­ maschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung von derartigen Schaufelträgern mit den Merkmalen des An­ spruchs 2.
Zwischenschichten werden gemäß der Erfindung durch Vakuumlöten, Galva­ nisieren oder Sintern entweder auf Fügeflächen von Schaufeln aus Kera­ mik oder auf Naben aus hochwarmfesten Stahl-Legierungen aufgebracht, so daß sich zunächst eine besonders innige Verbindung der Zwischen­ schicht mit den Schaufeln aus Keramik oder den Naben aus hochwarm­ festen Stahl-Legierungen ergibt.
Die Zwischenschichten enthalten Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni).
Gemäß der Erfindung sind bogenförmige Fügeflächen an den Schaufeln aus Keramik und an den Naben aus metallischem Rundmaterial vorteilhaft mittels zirkularem Reibschweißen oder Vakuumlöten oder Diffusions­ schweißen zu verbinden. Nach dem Fügen erfolgt die mechanische Fertig­ bearbeitung der Fußprofile und gegebenenfalls der Schaufeln.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind plane Fügeflächen an den Schaufeln aus Keramik und an den Naben aus metallischem Flachmaterial besonders vorteilhaft mittels linearem Reibschweißen zu verbinden. Nach dem Fügen erfolgt die mechanische Fertigbearbeitung der Fußprofile und gegebenenfalls der Schaufeln.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand Ausführungsbeispielen erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1, 2 einen Querschnitt durch eine Schaufel und eine Nabe mit bogenförmigen Fügeflächen nach zirkularem Reib­ schweißen,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Schaufel und eine Nabe mit planen Fügeflächen nach linearem Reibschweißen.
Fig. 4 eine Ansicht eines Teils eines Schaufelträgers.
Fig. 1 Eine Nabe 1 eines Schaufelträgers ist aus einem Stahl-Rundling gebildet. Eine Schaufel 2 aus keramischen Material ist an der Nabe 1 angebracht. Die Schaufel 2 wird aus einem Keramik-Rundling 4 herausge­ arbeitet.
Der Keramik-Rundling 4 ist an Fügefläche 5 oder Nabe 1 an Fügefläche 6 mit einer Zwischenschicht (nicht dargestellt) aus Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni) beschichtet.
Keramik-Rundling 4 und Nabe 1 sind durch zirkulares Reibschweißen an ihren Fügeflächen 5, 6 über die Zwischenschicht miteinander verbunden, indem Keramik-Rundling 4 und Nabe 1 an ihren Fügeflächen 5, 6 fest gegeneinander gepreßt und mit schnellen Drehbewegungen erhitzt werden. Sind die Fügeflächen 5, 6 und die Zwischenschicht genügend erhitzt, sind der Keramik-Rundling 4 und die Nabe 1 miteinander verbunden.
Anstelle des zirkularen Reibschweißens zur Verbindung des Keramik- Rundling 4 und Nabe 1 kann Vakuumlöten oder Diffusionsschweißen tre­ ten.
Nach dem Reibschweißen werden die Schaufel 2 und der Schaufelfuß 3 aus dem Vollen bearbeitet.
In Fig. 2 sind entsprechende Elemente mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. Eine fertig bearbeitete Schaufel 2 ist in einer Kassette 8 enthalten. Zwischen Kassette 8 und Schaufel 2 ist Eingußmaterial 9 angeordnet. Keramik-Rundling 4 und Nabe 1 sind durch zirkulares Reib­ schweißen miteinander verbunden.
In Fig. 3 sind entsprechende Elemente mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. Eine Schaufel 2 ist in einer Kassette 8 enthalten. Zwischen Kassette 8 und Schaufel 2 ist Eingußmaterial 9 angeordnet. Die Nabe 1 ist aus Stahl-Flachmaterial 10 gebildet. Schaufel 2 und Nabe 10 weisen plane Fügeflächen 11, 12 auf, die durch lineares Reibschweißen mitein­ ander verbunden sind.
Schaufel 2 ist an Fügefläche 11 oder Stahl-Flachmaterial 10 an Füge­ fläche 12 mit einer Zwischenschicht (nicht dargestellt) aus Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni) beschichtet.
Schaufel 2 und Stahl-Flachmaterial 10 werden durch lineares Reib­ schweißen an ihren planen Fügeflächen 11, 12 über die Zwischenschicht miteinander verbunden, indem Schaufel 2 und Stahl-Flachmaterial 10 an ihren Fügeflächen 11, 12 fest gegeneinander gepreßt werden. Mit schnellen Linearbewegungen in einer zu den Oberflächen 11, 12 pa­ rallelen Ebene (nicht dargestellt) werden die Fügeflächen 11, 12 und die Zwischenschicht von Schaufel 2 und Stahl-Flachmaterial 10 erhitzt. Sind die Fügeflächen 11, 12 und die Zwischenschicht genügend erhitzt, wird die Linearbewegung ausgesetzt, und Schaufel 2 und Stahl-Flach­ material 10 sind miteinander verbunden.
Fig. 4 Eine Stahl-Nabe 14 weist radial nach außen gerichtete Sockel 15, 16 und 17 mit planen Oberflächen 12 auf. Schaufeln 2 sind eben­ falls mit planen Oberflächen 11 ausgestattet. Eine Zwischenschicht (nicht dargestellt) aus Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni) ist durch Vakuumlöten. Galvanisieren oder Sintern entweder auf den Oberflächen 12 der Sockel 15, 16 und 17 oder auf den Oberflächen 11 der Schaufeln 2 aufgebracht. Die Schaufeln 2 sind durch lineares Reibschweißen mit den Sockeln 15, 16 und 17 auf der Stahl-Nabe 14 be­ festigt.

Claims (3)

1. Schaufelträger für Strömungsmaschinen, insbesondere für Gas- oder Dampfturbinen, deren Schaufeln (2) mit metallischen Naben (1, 10, 14) durch Erhitzung einteilig verbunden sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaufeln (2) aus keramischen Materialien und die Naben 1, 10, 14) aus hochwarmfesten Stahl-Legierungen ge­ fertigt sind, und Zwischenschichten aus Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni) in den Verbindungen zwischen Schaufeln (2) und Naben (1, 14) enthalten sind, die vor dem Verbinden auf die Schaufeln (2) oder die Naben (1, 10, 14) durch Vakuumlöten oder Galvanisieren oder Sintern aufgebracht wurden.
2. Verfahren zur Herstellung von Schaufelträgern für Strömungs­ maschinen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet, durch Erhitzung der Schaufeln (2) und der Naben (1, 10, 14) aus metallischem Rund­ material durch zirkulares Reibschweißen oder Vakuumlöten oder Dif­ fusionsschweißen. Herstellen der Verbindung der Schaufeln (2) mit den metallischen Naben (1, 14), und Bearbeiten der Schaufelfüße (3) und der Schaufeln (2).
3. Verfahren zur Herstellung von Schaufelträgern für Strömungs­ maschinen gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch Erhitzung der Schaufeln (2) und der Naben (1, 14) aus Stahl-Flachmaterial durch lineares Reibschweißen, Herstellen der Verbindung der Schaufeln (2) mit den metallischen Naben (1, 14), und Bearbeiten der Schau­ felfüße (3) und der Schaufeln (2).
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