DE69110777T2

DE69110777T2 - Statorschaufeln für Turbinen, hergestellt aus einem thermostrukturellen Verbundmaterial.

Info

Publication number: DE69110777T2
Application number: DE69110777T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Ciais; Jacques G Fouillot
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-07-13
Also published as: DE69110777D1; JPH04232306A; EP0466602B1; US5131808A; CA2046173A1; JP3053125B2; FR2664647A1; CA2046173C; FR2664647B1; EP0466602A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine feste Beschaufelung eines Turbinenleitschaufelapparats oder eines Gaskompressors.
Ein Turbinenleitschaufelapparat hat eine Anordnung fester Schaufeln, die zwischen einem Innen- und einem Außengehäuse angeordnet sind. Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Leitschaufelapparat in Blockkonstruktion mit Schaufel 1 zwischen einem Innengehäuse 2 und einem Außengehäuse 3.
Üblicherweise sind die Gießtechnik und das Präzisionsschmieden diejenigen Technologien, die zur Herstellung eines Turbinenleitschaufelapparats verwendet werden und die sich mit der Herstellung eines Teils in Blockkunstruktion oder der Herstellung eines Leitschaufelapparats mit aufgesetzten Schaufeln befassen.
Um ein Funktionieren bei erhöhten Temperaturen sicherzustellen, kann in Betracht gezogen werden, die üblichen Schaufeln aus Metall oder einer Metallegierung durch Schaufeln aus einem hitzefesten Material zu ersetzen.
Die Herstellung von Schaufeln aus massivem Keramikmaterial, insbesondere aus gesinntertem Keramikmaterial ist schwer durchzuführen. Wegen ihrer Brüchigkeit haben die gesinnterten Keramikmaterialien im allgemeinen ein Thermoschockverhalten und mechanische Eigenschaften, die begrenzt sind. Daher treten schwer zu lösende Probleme auf eine Montage der Schaufeln zwischen dem Innen- und dem Außengehäuse durchzuführen, die die Beaufschlagung der Schaufeln mit jeglicher Spannung infolge einer unterschiedlichen Wärmedehnung vermeidet.
Die Erfinder haben daher die Herstellung von Schaufeln aus einem thermostrukturellen Verbundmaterial beabsichtigt. Die thermostrukturellen Verbundmaterialien sind allgemein bekannt. Sie bestehen aus einer faserigen, hitzefesten Verstärkung z. B. aus Kohlenstoff- oder Keramikfasern, die durch eine Hitzefeste Matrix z. B. ebenfalls aus Kohlenstoff oder Keramikmaterial verdichtet sind. Diese Materialien haben wegen des Vorhandenseins einer Faserverstärkungsstruktur und ihrer Hitzefestigkeit ein gutes mechanisches Verhalten, das sie zur Herstellung von Strukturelementen geeignet macht, und behalten ihre mechanischen Eigenschaften bis zu hohen Temperaturen und zeigen nicht die Brüchigkeit massiver Keramikmaterialien.
Der Erfindung liegt da her die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion für einen Turbinenleitschaufelapparat oder einen Gaskompressor vorzuschlagen, die insbesondere für die Herstellung fester Schaufeln aus einem Thermostrukturellen Verbundmaterial geeignet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Leitschaufelapparat, der aus festen, aufgesetzten Schaufeln gebildet ist, die zwischen einem Innen- und einem Außengehäuse angeordnet sind, wobei jede Schaufel einen Abschnitt hat, der ein aerodynamisches Profil bildet, sowie einen inneren und einen äußeren Steg, die die Abstände zwischen benachbarten Schaufeln bildet, wobei die Beschaufelung entsprechend dem Anspruch 1 ausgebildet ist.
Wie später erläutert wird, ermöglicht es die Tatsache, jede Schaufel mit asymmetrischen Stegen zu versehen, d. h. mit Stegen, die sich jeweils von einer einzigen Seite des aerodynamischen Profils aus erstrecken, eine relativ leichte Bearbeitung der faserigen Verstärkung der Schaufeln z. B. durch Schmieden eines Vorformlings, der aus Gewebeschichten oder einer dreidimensionalen Struktur wie einem vernadeltem Gefüge besteht.
Auserdem lassen die besondere Montage der Schaufeln zwischen den Gehäusen und das elastische Verhalten bei einer Verformung des Verbundmaterials unterschiedliche Wärmedehnungen ohen Beschädigung der Beschaufelung zu.
Die Erfindung wird nahstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in denen:
- Fig. 1 sehr schematisch einen Teil eines bekannten Turbinenleitschaufelapparats in Lockkonstruktion zeigt,
- Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Schaufel des Leitschaufelapparats der Fig. 1 ist,
- Fig. 3 sehr schematisch einen Teil eines Turbinenleitschaufelapparats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
- Fig. 4 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Schaufel des Leitschaufelapparats der Fig. 3 ist,
- Fig. 5 ein Schnitt längs der Ebene V der Fig.4 ist, der das aerodynamische Profil zeigt, das durch den zentralen Abschnitt der Schaufel der Fig. 4 gebildet wird,
- die Fig. 6A bis 6C unterschiedliche Herstellungsphasen einer Schaufel aus einem thermostrukturellen Verbundmaterial wie die der Fig. 4 zeigen,
- Fig. 7 sehr schematisch einen Teil eines Turbinenleitschaufelapparats gemäß einer weitern Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
- Fig. 8 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Schaufel des Leitschaufelapparats der Fig. 7 ist.
Eine erste Ausführungsform eines Turbinenleitschaufelapparats, der mit festen Schaufeln gemäß der Erfindung versehen ist, ist in den Fig. 3 bis 5 gezeigt.
Die festen Schaufeln 10 sind zwischen einem ringförmigen Innengehäuse 20 und einem ringförmigen Außengehäuse 22 montiert. Jede Schaufel 10 ist im wesentlichen C-förmig und hat einen zentralen Abschnitt 12, der ein aerodynamisches Profil bildet, das durch zwei asymmetrische Stege verlängert ist, nämlich einen inneren Steg 14 und einen äußeren Steg 16. Die Stege 14 und 16 erstrecken sich von der gleichen Seite des Abschnittes 12 aus in den Raum auf der Unterseite 12a.
Die Stege 14, 16 einer Schaufel liegen mit ihren Außenrändern 14a, 16a auf der Unterseite 12b einer benachbarten Schaufel auf und bestimmen folglich den Abstand zwischen den Schaufeln, wobei die Ränder 14a, 16a der Stege eine Form haben, die der der Oberseite 12b angepasst ist.
Zapfen 16 sind in Öffnungen aufgenommen, die in den Innenseiten der Gehäuse 20 und 22 ausgebildet sind, und stehen in den Zwischenraum zwischen diesen vor. Die Zapfen 18 bilden Anschläge, an denen sich die Stege wenigstens einer Schaufel 10 abstützen, wobei Aussparungen, die die Zapfen 18 aufnehmen, hierzu in den Außenrändern der Stege ausgebildet sind. Die Zapfen 18 bestimmen die Orientierung der Schaufeln 10 im Zwischenraum zwischen den Gehäusen, d. h. im wesentlichen die Orientierung der aerodynamischen Profile 12. Außerdem sichern die Zapfen 18 die drehfeste Einspannung der Schaufeln 10 nach ihrer Montage.
Die Stege 14 und 16 haben äußere Oberflächen 14b, 16b, die nicht exakt zylindrisch sind, so daß sie den Innenflächen der Gehäuse 20, 22 nicht angepasst sind. Genauer stützt sich jeder Steg 14, 16 an den nur mit einem Teil seiner äußeren Oberfläche nahe seinem Ende 14a, 16a ab. So ist ausgehend von der Abstützzone jedes Stegs ein Spiel J zwischen dem Steg und er Oberfläche des benachbarten Gehäuses gebildet, das fortschreitend bis zur Höhe des zentralen Abschnitts 12 zunehmen kann.
Die Schaufeln 10 sind aus einem thermostrukturellen Verbundmaterial hergestellt, das entsprechend seiner Eigenschaft beim Durchbiegen eine bestimmte Elastizität hat. Aufgrund dieser Tatsache und des Spiels J können sich die Schaufeln 10 ohne Beschädigung unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen sich selbst und den Gehäusen 20, 22 anpassen, die aus dem selben Material wie die Schaufeln oder einem unterschiedlichen Material, z. B. einem Metall bestehen können. Bei der Montage bei Umgebungstemperatur sind die Stege der Schaufeln 10 wenigstens leicht auf Biegung vorgespannnt, um eine wirksamen Abstützung auf den Innenflächen der Gehäuse sicherzustellen.
Bei einer Abwandlung ist es möglich, ein Spiel J nur zwischen einem der Stege jeder Schaufel und dem benachbarten Gehäuse auszubilden, wobei der andere Steg der Innenfläche des Gehäuses angepasst ist, gegen das er sich abstützt. Bei einer weiteren Abwandlung können die Schaufeln C-förmig sein und asymmetrische Stege haben, die sich beide von der Außenseite aus erstrecken.
Ein Verfahren zur Herstellung der Schaufeln 10 wie diejenige der Fig. 4 wird nun anhand der Fig. 6A bis 6C beschrieben.
Ein faseriger Vorformling 30, der dazu bestimmt ist, die Verstärkung des Grundverbundmaterials der Schaufel zu bilden, wird z. B. durch Stapeln von Gewebeschichten 32 und Formung der Schichten in einem Werkzeug 34 hergestellt. Das Gewebe, aus dem die Schichten 32 ausgeschnitten werden, besteht aus hitzefesten Fasern, z. B. Kohlestoffasern oder Keramikfasern wie Siliziumkarbidfasern.
Das Werkzeug 34 hat einen Stößl 34a, dessen Form die der Unterseite 12a und des inneren Profils der Stege 14, 16 ist. Der Stößl 34a schafft zusammen mit dem komplementären Teil 34b des Werkzeugs 34 ein Volumen konstanter Dicke und mit einem C- förmigen Querschnitt, in dem die C-förmige Kontur einer Schaufel 10 ausgebildet ist.
Der Vorformling 30 kann anders als durch Stapeln von Gewebeschichten hergestellt werden, z. B. durch Formung eines dreidimensionalen Gebildes mit der Solldicke wie z. B. eines genadelten Gebildes oder eines Gebildes, das durch dreidimensionales Weben erhalten wird.
Der Vorformling 30, der im Werkzeug gehalten wird, wird in eine Umhüllung eingeführt, um durch chemische Infiltration in der Dampfphase mit einem Material verdichtet zu werden, das die Matrix des Verbundmaterials bildet, z. B. Kohlenstoff oder einem Keramikmaterial wie Siliziumkarbid.
Die chemischen Infiltrationsverfahren in der Dampfphase von Kohlenstoff oder Siliziumkarbid sind ausreichend bekannt, so daß es nicht notwendig ist, sie hier im Einzelnen zu beschreiben.
Die Infiltration kann in mehreren Phasen durchgeführt werden, von denen die erste Phase, während der die Infiltration durchgeführt wird, nur so lange dauert, bis eine Verbindung zwischen den Fasern des Vorformlings erreicht wird, die ausreicht, damit er seine Form nach dem Herausnehmen aus dem Werkzeug bei behält. Nach dieser ersten Verfestigungsphase kann die chemische Infiltration in der Dampfphase an dem aus dem Werkzeug entfernten Vorformling durchgeführt werden, bis ein verdichtetes Teil 40 (Fig. 6B) erhalten wird.
Nach der Verfestigung ist eine Bearbeitung erforderlich, um wenigstens die Außenseite zu formen, wie sie Fig. 6C im Schnitt zeigt, und um ebenso die äußeren Oberflächen der Stege zu formen, um das Spiel J auszubilden, und um die äußeren Ränder der Stege zu bilden, damit sie eine Form erhalten, die der der Außenseite entspricht, auf der sie sich abstützen sollen. Die Schaufeln können so nach der Herstellung des Vorformlings bis zur Verdichtung und abschließenden Bearbeitung nacheinander hergestellt werden.
Bei der Abwandlung ist es möglich, ein verdichtetes Profil mit einer Länge entsprechend mehreren Schaufeln herzustellen. Das Profil wird dann vor der Bearbeitung der Schaufeln geschnitten.
Die Bildung von Schaufeln mit asymmetrische Stegen ermöglicht eine leichte Herstellung des faserigen Vorformlings, um eine Profil konstanter Dicke mit unkontinuierlichen Gewebeschichten, die die Verstärkung bilden, herzustellen.
Dies ist anders für Schaufeln, die symetrische Stege haben, z. B. I- förmige Schaufeln, bei denen die Herstellung des Vorformlings wesentlich komplizierter ist.
Eine andere Ausführungsform eines Turbinenleitschaufelapparats gemäß der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen die Elemente dieses Leitschaufelapparats die denen des Leitschaufelapparats der Fig. 3 bis 5 ähnlich sind.
Der Turbinenleitschaufelapparat der Fig. 7 und 8 unterscheidet sich von dem der Fig. 3 bis 5 durch die Form der Schaufeln 50. Diese sind tatsächlich Z-förmig und haben eine zentralen Abschnitt 52, der das aerodynamische Profil ähnlich dem zentralen Abschnitt 12 der Schaufeln 10 bildet, und zwei asymmetrische Stege 54, 56, nämlich einen inneren und einen äußeren Steg, die sich jeweils von der Außenseite 52b und der Unterseite 52a aus erstrecken.
Selbstverständlich kann die Anordnung der Stege 54 und 56 umgekehrt sein.
Die Stege 54 und 56 einer Schaufel 50 stützen sich mit ihren äußeren Rändern 54a und 56a jeweils an der Unterseite einer der benachbarten Schaufeln und der Außenseite der anderen benachbarten Schaufel ab und bestimmen den Abstand zwischen den Schaufeln.
Zapfen 18 bestimmen die Orentierung der Schaufeln 50 und halten diese drehfest.
Wie Fig. 7 zeigt, stehen die Außenflächen 54b, 56b der Stege 54, 56 mit den Innenflächen der Gehäuse 20, 22 nur auf einem Teil ihrer Oberfläche in Kontakt, um die Spiele J zu bilden. Der Kontakt zwischen den Stegen und den Gehäusen kann in diesem Falle gegenüber den Enden der Stege etwas zurückgesetz sein, damit die Kompensationen der unterschiedlichen Wärmedehnung wengistens teilweise durch Schwenken der Stege und nicht durch deren Biegung erfolgt.
Die Herstellung der Schaufeln erfolgt durch Herstellung eines faserigen Vorformlings, dessen Verdichtung und abschließende Bearbeitung. Der Vorformling wird wie zuvor durch Anordnen von Gewebeschichten und Formung in einem Werkzeug geeigneter Kontur hergestellt.

Claims

1. Leitschaufelapparat, insbesondere für eine Turbine, bestehend aus festen, aufgesetzten Schaufeln (10; 50), die zwischen einem Innengehäuse (20) und einem Außengehäuse (22) angeordnet sind und von denen jede einen Abschnitt (12; 52) hat, der ein aerodynamisches Profil bildet, und asymmetrische innere Stege (14; 54) und äußere Stege (1 6; 56), die die Abstände zwischen benachbarten Schaufeln begrenzen, dadurch gekennzeichnet daß:

- die Schaufeln (10; 50) aus einem thermostrukturellen Verbundmaterial bestehen,

- sich wenigstens einer der inneren Stege (14; 54) und der äußeren Stege (16; 56) einer Schaufel auf der Außenseite (12b; 52b) oder der Unterseite (12a; 52a) einer benachbarten Schaufel abstützt, und

- sich wenigstens einer der Stege (14, 16; 54, 56) jeder Schaufel an die benachbarten Gehäuse nur mit einem Teil seiner äußeren Oberfläche derart abstützt, daß eine Biegung unter der Wirkung einer unterschiedlichen Wärmedehnung zwischen der Schaufel und dem Gehäuse ermöglicht wird.

2. Leitschaufelapparat nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet daß die teilweise Abstützung zwischen einem Steg (14, 16) einer Schaufel (10) und dem benachbarten Gehäuse (20, 22) nahe dem Ende des Stegs gebildet ist.

3. Leitschaufelapparat nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet daß der innere Steg (14) und der äußere Steg (16) jeder Schaufel (10) auf der selben Seite des Abschnittes (12) liegen, der das aerodynamische Profil bildet.

4. Leitschaufelapparat nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet daß der innere Steg (54) und der äußere äußere Steg (56) jeder Schaufel (58) jeweils auf der einen und der anderen Seite des Abschnittes (52) liegt, der das aerodynamische Profil bildet.

5. Leitschaufelapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet daß sich jeder Steg (14, 16; 54, 65) einer Schaufel (10; 15) an dem benachbarten Gehäuse (20, 22) nur mit einem Teil seiner äußeren Oberfläche abstützt.

6. Leitschaufelapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch Zapfen (18), die mit dem inneren Gehäuse (20) und dem äußeren Gehäuse (22) verbunden sind und auf denen sich die Ränder der Zapfen (14, 16; 54, 56) wenigstens einer Schaufel (10; 50) abstützen, um die Schaufeln zwischen den inneren und dem äußeren Gehäuse in Sollpositionen zu halten.

7. Leitschaufelapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet daß die Schaufeln (10; 50) aus einem Verbundmaterial mit keramischer Matrix hergestellt sind.