DE3521782A1 - Hybridschaufel aus metall und keramik zusammengesetzt - Google Patents
Hybridschaufel aus metall und keramik zusammengesetztInfo
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Classifications
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hybridschaufel insbesondere
eine Leit- oder Laufschaufel einer Strömungsmaschine
aus Metall-Keramik zusammengesetzt, wobei das temperatur
festere Material das innere Teil bildet. Es sind in dieser
Art zusammengesetzte Schaufeln bereits bekannt aus
DE-OS 28 34 843 und DE-PS 28 34 846.
Es ist bekannt den metallischen Kern mit dem keramischen
Hemd durch Stifte zu verbinden. In diesen Fällen kann
es im Bereich der Querstifte zu lokalen Spannungsspitzen
kommen, die die Bruchgefahr erhöhen, wie sie sich bei
dem bekannten Aufbau von Hybridschaufeln ergibt aus
- a) der unterschiedlichen Wärmedehnung von keramischem Hemd und Metallkern im jeweiligen Bereich einer Anlage- oder Anlagefläche,
- b) daß die Auflagefläche einen innen umlaufenden Wulst hat und so einen relativ kleinen Kern querschnitt bedingt,
- c) daß die kleine Anlagefläche sich im Keramikhemd befindet und eine genaue Bearbeitung äußerst schwierig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es eine leicht zu montierende
und zu demontierende Verbindung für das metallische und
keramische Bauteil einerseits zu finden und andererseits
eine sichere und für längere Betriebsdauer geeignete Ver
bindung zu schaffen.
Die Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein
etwa hemdförmiges oder kappenartiges Außenteil in einem
Zentralbereich einen Steg aufweist, der in einen Hohlraum
des Außenteils hineinragt und daß ein massiver Kern mit
einer schlitzförmigen Ausnehmung in dem Hohlraum des
Außenteils soweit einschiebbar ist, daß er unter Zwischen
lage eines Isolators zwischen dem Schlitz des Kerns (1)
und dem Steg des Hemdes gehalten ist.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen,
daß im Übergangsbereich Metall/Keramik die Keramik druck
belastet ist. Dieser Übergangsbereich ist verhältnismäßig
klein so daß eine Wärmedehnung gefahrlos beherrschbar ist.
Außerdem wird der Wärmeübergang vom Mantel auf den Kern
verringert.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteran
sprüchen, der Beschreibung und Zeichnung eines Aus
führungsbeispiels zu entnehmen. Zur Erfindung gehören aus
drücklich auch alle Kombinationen und Unterkombinationen
der beschriebenen, darvestellten und beanspruchten Merk
male. Für den metallischen Schaufelfuß und den metallischen
Kern eignen sich Superlegierungen, Nickelbasislegierungen,
Titanbasislegierungen und andere. Das äußere hemdartige
Teil besteht aus Keramik insbesondere aus faserverstärkter
Keramik wie SiC-Fasern in SiC oder SiC-Fasern in Si3N4
oder Kohlenstoffaser verstärkter Kohlenstoff mit einer
Siliziumkarbidschutzschicht.
In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung rein schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 Ansicht der neuartigen Hybridschaufel
Fig. 2 den Isolator als Verbindungsstift zwischen
Kern und Hemd
Fig. 3 das Hemd der Hybridschaufel
Fig. 4 den Schaufelaufnahmefuß
Fig. 5 einen Längsschnitt
Fig. 6 einen Querschnitt durch die Schaufel
Der Kern hat das Bezugszeichen 1 er ist von einem Schlitz
in Längsrichtung durchsetzt, der das Bezugszeichen 2 trägt,
sich im Zentralbereich des Kerns befindet und nicht über
die gesamte Länge geht, wie Fig. 5 oben zeigt, sondern
früher endet. Die Breite des Schlitzes ist so bemessen,
daß sie den Isolationsstift 3, dargestellt in Fig. 2,
der der Verbindung zwischen Kern 1 und Hemd 4 dient, auf
nehmen kann. Das Hemd 4 hat eine größere Höhe und hat den
Hohlraum 8 im Zentralbereich für die Aufnahme des Kerns 1.
Der Fuß ist mit 5 bezeichnet und nimmt das Hemd 4 auf
bei 6. Das Hemd 4 hat einen Tragsteg 7 der im Schlitz 2
zu Liegen kommt nach dem Zusammenbau.
Der Schaufelfuß 5 z.B. ein Schwalbenschwanzfuß oder ein
Tannenbaumfuß nimmt auch den Schaufelkern 1 im Zentrum
auf, ist bevorzugt aus metallischem Material, gleich
oder ähnlich wie der Kern 1 hergestellt, bevorzugt durch
Erodieren aus Vollmaterial. Er kann auch in einem Fein
gußverfahren hergestellt werden.
Das Hemd aus hochtemperaturfester Keramik wird vorzugsweise
hergestellt durch Spritzguß eines sinterfähigen SiC-
Materials oder Si3N4 oder durch kaltisostatisches Pressen
eines Keramikpulvers in einer Form mit Kern und nachfolgen
der Bearbeitung des Grünlings zur Beinaheendform.
Der Kern wird beispielsweise hergestellt durch Feinguß
gewünschtenfalls ist eine Nachbearbeitung durch Schleifen
möglich. Der Kern kann auch aus vollem, insbesondere
metallischen Material erodiert werden oder Einkristallin
durch gerichtete Erstarrung im Gießverfahren hergestellt
werden. Der Schlitz 2 der in üblicher Weise z.B. durch
Fräsen hergestellt wird, wird an seinen Berührungsflächen
mit dem Isolationsstift 3 und Tragsteg 7 geschliffen.
Aber auch eine andere Feinbearbeitung ist anwendbar die
geeignet ist, glatte Parallelflächen zu liefern wie sie
auch an dem Stift 3 gewünscht sind. Es sollen hierdurch
eine leichte Verschiebung von Hemd und Kern infolge Wärme
dehnung im Betrieb ermöglicht werden. Die Parallelität der
Auflageflächen zueinander sollte z.B. kleiner als 0,5 µm
sein. Der Stift 3 sollte bevorzugt aus teilstabilisiertem
Zirkonoxid als hochtemperaturfeste Keramik bestehen, ins
besondere Y2O3 in ZrO2.
Die Montage der Hybridschaufel ist wie folgt:
Zunächst kommt der Isolator 3 auf den Steg 7 des Keramik
hemds (Fig. 1 oben) am Ende des Schlitzes 2 zu Liegen, d.h.,
wenn das Keramikhemd 4 mit Steg nach oben steht. Dann
wird der Kern 1 von oben in das Hemd 4 hineingeschoben
bis er auf dem Isolator 3 aufliegt. Der Isolator kann
jetzt nicht mehr herausfallen. Hemd und Kern werden zu
sammengehalten und der Kern 1 in den Schaufelfuß 5 hinein
geschoben. Danach werden Kern und Fuß von der Unterseite
des Fußes her miteinander verlötet.
Es ist statt der dargestellten Ausführung auch möglich
den Kern bis zur Spitze des Schaufelblattes hin konisch
zulaufen zu lassen was eine Gewichtsersparnis und Ent
lastung des schaufelseitigen Endes des Tragestiftes zur
Folge hat. Weitere Abwandlungen des Ausführungsbeispiels
sind möglich ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu
verlassen.
Der Kern 1 kann konisch ausgeführt sein, mit der Basis
an Fuß 5.Zwischen Hemd 4 und Kern 1 kann noch ein Leit
blech 9 oder dergl. Element zur Führung von Kühlluft
durch die (nicht dargestellte) Radnabe oder Turbinen
scheibe (Rotor) durch den Fuß 5 in den Zwischenraum 10
der dann als Kühlluftkanal dient und einen Teil des Hohl
raums 8 bildet (Fig. 5).
Das Leitblech 9 kann zugleich dem Strahlungsschutz
dienen, d.h. es schirmt den Kern 1 vor Wärmeübergang
vom Hemd 4 bzw. Mantel ab. Das Leitblech 9 berührt den
Mantel bzw. das Hemd 4 nicht sondern ist mit Abstand
zu Hemd und Kern im Fuß 5 befestigt, insbesondere einge
lötet (Fig. 6).
Claims (15)
1. Hybridschaufel, insbesondere aus Metall- und Keramik-
Komponenten zusammengesetzte Schaufel für Strömungs
maschinen wie Gasturbinen, wobei das temperaturfeste
Material die äußere und das zugfeste die innere
Komponente bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die
äußere Komponente (4) ein etwa hemdförmiges oder
kappenartiges Teil bildet und in einem Zentralbereich
einen Steg (7) aufweist, der einen Hohlraum (8) über
brückt und
daß ein massiver Kern (1) die innere Komponente bildet, eine schlitzförmige Ausnehmung (2) aufweist und in den Hohlraum (8) der äußeren Komponente (4) soweit einschiebbar ist, daß der Kern (1) unter Zwischen lage eines Isolators (3) zwischen Schlitz (2) und Steg (7) im Hemd gehalten ist.
daß ein massiver Kern (1) die innere Komponente bildet, eine schlitzförmige Ausnehmung (2) aufweist und in den Hohlraum (8) der äußeren Komponente (4) soweit einschiebbar ist, daß der Kern (1) unter Zwischen lage eines Isolators (3) zwischen Schlitz (2) und Steg (7) im Hemd gehalten ist.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der eingelegte Isolator ein feinbearbeitetes
insbesondere geschliffenes Stück mit Parallel
flächen zu den Anlageflächen in Bezug auf Kern bzw.
Steg ausgebildet ist (für leichten Schiebesitz).
3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kern mit einem Schaufelfuß verlötet ist.
4. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem Metall
oder einer Metallegierung, einer Superlegierung oder der
gleichen besteht.
5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kern aus einem Feingußteil, insbesondere mit
gerichteter Erstarrung besteht.
6. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern einkristallin ist.
7. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Hemd aus einer Hoch
temperaturkeramik, wie faserverstärktem Siliziumkarbid
oder Siliziumnitrid besteht.
8. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hemd durch Spritzguß hergestellt ist.
9. Schaufel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hemd aus einem Hochtemperaturkeramikpulver
insbesondere SiC oder Si3N4 geformt ist.
10. Schaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hemd kalt isostatisch gepreßt und grün be
arbeitet ist.
11. Schaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus einem
teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht, bei dem alle
Auflageflächen geschliffen sind.
12. Hybridschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern konisch vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze
zulaufend ausgeführt ist.
13. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strahlungsschutzblech zwischen Kern und
Mantel angeordnet ist und das Schutzblech den Mantel
nicht berührt.
14. Schaufel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Kern und Schutzblech Kühlluft einführ
bar ist und/oder der Kern kühlbar ist.
15. Schaufel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Kern längsgerichtete durchgehende Kühl
kanäle angeordnet sind.
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