DE2930465A1

DE2930465A1 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2930465A1
Application number: DE19792930465
Authority: DE
Inventors: Robert Keith Betts; John Joseph Grisik; John William Zelahy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1979-07-27
Publication date: 1980-05-14
Also published as: IL57353A0; JPS6228282B2; GB2033022B; FR2440466A1; IL57353A; IT7924547A0; JPS5564103A; IT1122253B; GB2033022A; DE2930465C2; US4257741A; FR2440466B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Turbinenschaufeln und mehr im besonderen auf die Art mit Flügelvorsprüngen zur Schaffung von Umhüllungsringen, Plattformen und Dämpfungsteilen.

Eine Vielfalt von Turbomachinen, wie Gasturbinen, die Axialströmungskompressoren oder -gebläse oder UmgehungsanOrdnungen einschließen, benutzen Vorsprünge, wie Mittelspannweiten- oder Spitzenmantelringeoder andere Dämpfungsmittel, um die Vibrationsbelastung auf Schaufelflügeln zu reduzieren. Da benachbarte Oberfläche solcher Projektionen oder Mantelringe sich während des Maschinenbetriebes in direktem Kontakt befinden, tritt an den Kontaktpunkten eineSchlag- und eine Art von Gleitreibung auf, die manchmal als Adhäsionsabrieb bezeichnet wird. Es wird allgemein angenommen, daß der Adhäsionsabrieb aufgrund einer Kombination eines Aufschlagen^ und Reibens 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 und der Begriff "Vorsprung" soll eine Vielfalt von Höckern oder Vorsprüngen aus einem Flügel einschließen, die zumindest einen Teil eines Mantelringes, einer Plattform oder eines Dämpfungsteiles bilden.

Vor der vorliegenden Erfindung wui'den die Kontaktoberflächen zwischen solchen Teilen mit einer Oberflächeneiririehtung in Form eines Überzuges versehen, typischerweise aus Wolframkarbid in einem Binder, wie Kobalt, der durch Sprühen aufgebracht'wurde. Während des Betriebes der Gasturbine mit einem solchen Überzug

werden

ist jedoch festgestelltVf daß ein unerwünschtes Abspalten,Absplittern und Abreiben solcher überzüge zur vorzeitigen Beschä~ digung des Vorsprunges führt, auf den er aufgebracht war.

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Die vorliegende Erfindung ist besonders brauchbar bei Turbinenschaufeln und dieser Begriff soll Flügel (im englischen "means" genannt) einschließen, die solche Arten im wesentlichen seitlicher Vorsprünge aufweisen, die längs des Flügels angeordnet sind, um in der Mitte der Flügelbreite verlaufende Mantelringe Plattformen, Dämpfungsmittel usw. zu schaffen. Typische Beispiele solcher Turbinenschaufeln sind in den US-PS 3 734 646 und 3 936 23^ beschrieben. Schaufeln mit solchen in der Mitte der Flügelbreite befindlichen Vorsprüngen können in Gasturbinen in solchen Abschnitten, wie dem Gebläse-, dem Kompressor- und dem Turbinenabschnitt vorhanden sein.

Um den Adhäsionsabrieb zu vermeiden, der vom Reiben und Aufeinanderschlagen der Grenzflächen solcher Vorsprünge während des Betriebes der Turbinenmaschine herrühren kann, wurde im Handel erhältliches Wolframkarbidpulver in einem Kobaltbinder durch Flammsprühen auf die zusammengehörigen Oberflächen solcher Vorsprünge oder Mantelringe aufgebracht. Ein solcher Abriebsschutz ist besonders erforderlich bei ineinandergreifenden Oberflächen von Schaufelmantelringen aus Titanlegierung, wie sie in den Gebläse- und Kompressorabschnitten gewisser Gasturbinen benutzt werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Zusammensetzung und Struktur des Abriebsmaterials während des Aufsprühens schwer kontrollierbar sein kann, um reproduzierbare Abriebseigenschaften aufrechtzuerhalten. Auch kann die Kontrolle von Dicke und Ober-r flächenausführung, schwierig sein.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenschaufel mit einem Mantelring in der Mitte des Flügels,

Figur 2 eine vergrößerte Draufsicht auf die Schaufel nach Figur längs der Linien 2-2,

Figur 3 eine fragmentarische Ansicht der Schaufel nach Figur 2 und

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Figur h einen grafischen Vergleich zwischen dem Abriebskissen nach der vorliegenden Erfindung und anderen Oberflächeneinrichtungen zur Vermeidung des Adhäsionsabriebes.

In den Figuren 1-3 ist eine typische Schaufel einer Gasturbine gezeigt, die ein Paar von in der Mitte des Flügels befindlichen Mantelringvorsprüngen 10 aus dem Flügel 12 aufweist. Während des Betriebes sollen solche Mantelringe oder Vorsprünge an der Oberfläche l^l\ (Figur 1) mit ähnlichen Vorsprüngen von benachbarten Schaufeln zusammenarbeiten, aneinanderliegen oder aneinanderpassen. In der US-PS 3 734 6^6 ist in allgemeiner Weise eine Turbinenschaufel dieser Art gezeigt.

Um das durch Flammsprühen aufgebrachte Abriebsschutzsystem auf WC-Basis auf Man te !ringen in der Flüge J.mitte, wie es in gewissen Gasturbinen benutzt wird, zu verbessern, wurde eine Vielfalt von Materialien einschließlich zusätzlich durch Flammsprühen aufgebrachter Materialien und gesinterter Kissen aus WC-Co untersucht. Anfängliche Tests vor den tatsächlichen Maschinentests wurden auf Proben In einer Vorrichtung ausgeführt, die Testoberflachen einer Kombination aus Aufschlagen 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 anfänglichen Auswertungen wurde erkannt, daß im wesentlichen vollkommen dicht gesinterte Kissenpreßlinge aus WC-Co eine deutliche Verbesserung in der Kombination aus Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit aufwiesen, verglichen mit der durch Flammsprühen hergestellten WC-Oberfläche. Die wird in Fig tr k durch die festen Linien repräsentiert. Die Erkenntnis der ungewöhnlichen Verbesserung in solchen Charakteristika durch gesinterte Kissen führte zu einer zusätzlichen Auswertung der Zusammensetzung Wolframkarbid-Kobalt. In der folgenden Tabelle sind einige der bei der Auswertung erhaltenen Daten zusammengefaßt.

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Tabelle Eigenschaften verschiedener Grade von gepreßten und gesintertem WC-Co

Ausdehnungskoeffizient

3e	O U*	isDiel	Zusammen setzung (Gew.-?) WC Cc	13	Karre RA	Dichte g/cm	,2	10 k	in g/ cm	5,	6,	Schlag- P festigkeit γΓ mkg (in-Ib)	Abrieb Vclumen- verlust	-6 10 cm/cm/"C -18 bis 205 C
O	1	87	9	88,2	14	,7	37,		r,		2,3^3 (17)	11
»ο	2	91	6	89,5	14	,0		0	6,	16	1,657 (12)	10	4,0/
	■7 j	94	10	92,0	15	,6	^ ·' 5	C	6₅	56	1,657 (12)	35	5,4 .
O απ	4	90	D	92,0	14		52,	5	^c j	30	2,35 (15)	13	_ CT
«*> «ο	5	94		93	15		60,	2		23	1,2t (9)	60	5,22

KJ CD U)

Die gepreßten und gesinterten WC-Co-Proben, aus denen die Daten der vorstehenden Tabelle gewonnen wurden, hatten eine Dichte im Bereich von 1*1,2 - 15,0 g/cni"⁵, was anzeigt, daß sie im wesentlichen vollkommen dicht waren. Außerdem lag ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient OC über den beabsichtigen Betriebstemperaturbereich von bis zu etwa 2O5°C im Bereich von etwa '1,87 bis zu 5,Ί x 10 cm/cm/ C, was ihre Verträglichkeit mit dem Grundiiieta] anzeigt, mit dem sie verbunden waren (dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient beträgt 8,'47 x 30 "* cm/cm/°C). Bei dieser Probenserie bestand die Titanlegierung nominell aus b Gew.-% Aluminium, H Gew.-% Vanadium und als Rest Titan (Ti-6-'!-Legierung) und diese Titanlegierung war das Grundmetall, an das die Proben hartgelötet wurden. In der vorstehenden Tabelle bedeutet "RA" Rockwell A, "UCS" die Kompressionsfestigkeit und "E" den Elastizitätsmodul.

Ein Vergleich der Daten der Beispiele 3 und 5 für die die gleiche Zusammensetzung aber Variationen hinsichtlieh der Teilchengröße und Verteilung sowie der Verarbeitung vorhanden waren, zeigt, daß die bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung von mehr als 91 bis zu 95 Gew.-% WC und als Rest Co zu einer beträchtlich verbesserten Abriebsbeständigkeit führt. Die Probenkissen aus dem WC-Co-Material wurden durch Induktionshart löten mit Stützsteilen aus der Ti-G-^-Legierung unter Verwendung eines Hartlotes aus einer Titanlegierung verbunden.

Nach Feststellung der bevorzugten HoniinaL^zusammensetzung von 9Ί 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 Figur M 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 Abriebsbeständigkeit aufwies, die äquivalent ist

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dem erfindungsgemäßen Kissen, 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 gepreßten, gesinterten im wesentlichen vollkommen dichten Teile 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-^-Art oberhalb ihrer ß-übergangstempera — tür, z. B. von etwa 95Ί - 982⁰C. Die üblichen Hartlotverfahren erhitzen die gesamte Schaufel über diese Temperatur hinaus, obwohl solche höheren Temperaturen nur an der Verbindungsstelle erforderlich waren. Die Anwendung eines lokalisierten Aufheizverfahrens, wie das Präzisionsvakuum-Induktionserhitzen zur Lokalisierung der Anwendung der Hartlotwärme genau an dem gewünschten Bereich erwies sich gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung als geeignet, die nachteilige Wirkung des Erhitzens einer Titanlegierung oberhalb ihrer ß-übergangstemperatur auf einen liinimalwert zu halten.

Eine Induktionsheizvorrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung brauchbar ist, ist in der US-PS 4 012 616 beschrieben, wenn sie auch dort in etwas anderer Weise benutzt wird. Durch Lokalisieren des im wesentlichen vollkommen dichten, gepreßten und gesinterten WC-Co-Kissens 16 in Figur 2 auf der Oberfläche l¹» des Mantelringes nach den Figuren 1 und 2 mit einer Hartlotlegierung 18, die gemäß Figur 2 zwischen dem Kissen 16 und der Oberfläche Ik angeordnet ist, können Induktionsheizspulen 20 um diesen Mantelring 10 so angeordnet werden, wie es in Figur 2 gezeigt ist, um die geeignete Wärme lokal auf den Bereich des Kissens 16 anzuwenden, um das Kissen 16 an die Oberfläche Ik hart

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zu löten. Durch die Anwendung eines solchen lokalisierten Heizverfahrens kann die Bildung der ß-Struktur, die durch Erhitzen der Legierung beim Hartlöten des Kissens 16 auf die Oberfläche IH über die ß-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 Abriebskissen mit der Kombination der EigenschafteniBeständigkeit gegenüber Adhäsionshaftung sowie Schlagzähigkeit an der Kontaktoberfläche eines Flügelvorsprunges einer Turbomaschinenschaufel angebracht, ohne die mechanischen Eigenschaften des Flügels zu beeinträchtigen, an dem der die Kontaktoberfläche tragende Vorsprung angebracht ist oder mit er integral ausgebildet ist.

In einem spezifischen Beispiel wurde ein Kissen, das allgemein die bei 16 in den Figuren 2 und 3 gezeigte Gestalt aufweist aus dem Material des Beispiels 3 durch Hartlöten auf die Mantelringoberfläche I^ der Ti-6-4-Legierung bei einer Temperatur von etwa 95²I⁰C 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 Figur 2 gezeigt, angeordnet. Das Ergebnis war ein durch Hartlöten an dem Flügelvorsprung befestigtes WC-Co Kissen, wie es in Figur 3 gezeigt ist.

Es wird angenommen, daß die im wesentlichen vollkommen dichten gepreßten und gesinterten Teile 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 erfindungsgemäß benutzten Kissens gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlag nicht erforderlieh. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung untersuchten Kissen hatten vorwiegend eine Dicke von 0,5 ium.

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Zum Testen in einer Gasturbine wurden Abriebskissen aus dem Material des Beispiels 3 hergestellt und mit Flügelmantelringen in deren Mitte wie oben beschrieben, verbunden. Visuelle Inspektionen wurden ausgeführt nach anfänglichem Maschinenlauf und bei 25 und 50 Stunden danach. Nach dem Auseinanderbauen ergab die Inspektion ein ausgezeichnetes Aussehen. Die Kontaktflächen auf dem Kissen waren nur zu einem hellen glatten Aussehen poliert. Es gab lein Anzeichen von Lot-oder Kiosenbrüchen bei 10-facher Vergrößerung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere Prozeduren zum lokalisierten Erhitzen angewandt werden, wie Hartlöten mit einem Schweißbrenner, Widerstandshart löten, Lasererhitzen, Elektronenstrahlerhitzen usw.

Auch kann eine Vielzahl von üartlotlegierungen 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 Aerylzement benutzt.

Die Hartlot legierung 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.

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Claims

Ansprüche

Turbinenschaufel mit einem Flügel und einem Vorsprung von dem Flügel aus, wobei der Vorsprung eine Kontaktoberfläche hat, die an einer Oberfläche eines benachbarten Teiles anliegt und die Berührungsoberflache ein Oberflächenmittel aufweist, um Adhäsionsabrieb zu vermeiden, d a d u r c h ge k e η η zeichnet , daß an der Kontaktoberfläche als Oberflächeneinrichtung ein diskretes Abriebskissen befestigt ist, das eine verbesserte Kombination aus Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit aufweist, wobei dieses Kissen

a) einen vollkommen dicht gesinterten Preßling aus .Karbiden, Nitriden und/oder Eoriden umfaßt,

b) eine Dicke von mindestens 0,2S mm aufweist und

c) thermische Ausdehnungseigenschaften hat, die mit dem Vorsprung über den beabsichtigten Betriebstemperaturbereich verträglich sind.

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2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abriebskissen aus mehr als 91 bis zu etwa 95 Gew.-? WC und als Rest Co besteht.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Abriebskissen aus etwa 94 Gew.-52 WC und als Rest Co besteht.
4. Verfahren zum Herstellen der Turbinenschaufel nach Anspruch 1, durch Befestigen eines diskreten, gepreßten und gesinterten Abriebskissens an der Oberfläche eines Vorsprunges vom Flügel der Schaufel aus, dadurch gekennzeichnet, daß man einen vollkommen dicht gesinterten Preßling aus Karbiden, Nitriden und/oder Boriden herstellt, das Abriebskissen in Position auf der Kontaktoberfläche mit einer Lotlegierung dazwischen hält und dann das Abriebskissen mit der Kontaktoberfläche verbindet, io-dem man Abriebskissen

und Kontaktoberfläche lokal erhitzt.
5. Verfahren nach Anspruch H₁ dadurch gekennzeichnet, daß das lokalisierte Erhitzen durch Vakuuminduktionslöten erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß die Induktionsheizspulen um den Vorsprung herum in der Nähe von Kontaktoberfläche und Abriebskissen angeordnet sind.

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