Verfahren zur Herstellung einer Zwischenlage aus Metall

Abstract

 Diese befindet sich zwischen insbesondere schräg gepreßten Preßflächen zweier Preßflächenträger, von denen zumindest der eine aus Keramik besteht, vorzugsweise zwischen Tragflächen einer Axiallaufschaufelbefestigung einer Turbomaschine. Es sollen die Nachteile einer Folie zumindest vermindert werden. Erfindungsgemäß ist die Zwischenlage mindestens ein aus einer Metallpulver-Suspension hergestellter Belag, das Pulver insbesondere aus Platin, Nickel oder Titan. Spannungsspitzen werden besser abgebaut, denn der Belag bzw. die Beläge ist bzw. sind beim Pressen der Preßflächen leichter verformbar als die Folie. Ferner gibt es bei kleinen Teilen keine Montageschwierigkeiten und kein Verrutschen wie bei der Folie. Der nichtmetallische Bestandteil der Suspension ist insbesondere Lack. Sein fester Anteil entweicht durch Erhitzen. Vorzugsweise wird zusammengebaut und die Suspension seitlich aufgetragen, wonach sie durch Kapillarkräfte einfließt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Zwischenlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zwischenlage.

[0002] Die Problematik im Zusammenhang mit der Erfindung wird im folgenden bei der in diesem Oberbegriff bevorzugt angegebenen Axiallaufschaufelbefestigung dargelegt, ist jedoch auch allgemein vorhanden, wenn zumindest einer der beiden Preßflächenträger wenigstens im Preßflächenbereich, einschließlich Preßfläche, aus keramischem Werkstoff besteht.

[0003] Bei hohen Temperaturen des Fluids im beschaufelten Strömungskanal wünscht man sich oft die Laufschaufeln, einschließlich ihrer Füße, oder zusätzlich die Läuferscheibe aus keramischem Werkstoff. Eines der Hauptprobleme liegt dabei in der Verbindung der Keramikschaufel, d.h. ihres also auch keramischen Fußes, mit der Läuferscheibe, d.h. also in der Schaufelbefestigung.

[0004] Die Arten der genannten Nut sind bekannt, d.h. die Nut verläuft in ihrer Längsrichtung im allgemeinen entweder als Einzelnut für einen Fuß parallel zur Läuferachse oder schräg wie bei einem Schrägzahnstirnrad oder koaxial als Ringnut für sämtliche Schaufeln bzw. Füße des Schaufelkranzes. Wegen des keramischem Werkstoffs ist der Fuß in einem zur Nutlängs- und Fußeinschiebrichtung senkrechten Schnitt meist schwalbenschwanz- oder tannenzapfenförmig in der Art, daß die genannten, im allgemeinen ebenen Tragflächen (tragenden Flächen) des Fußes und der Nut, die in diesem Schnitt die gleiche Form hat wie der Fuß und in die dieser eingeschoben ist, unter einem spitzen Winkel zu-der in jener Richtung verlaufenden, läuferradialen Fuß-Mittelebene liegen. Dieser Flankenwinkel beträgt im allgemeinen 30 bis 75°. Dadurch sind übrigens die Tragflächen beim Wirken der Zentrifugalkräfte der Laufschaufel schräg gepreßt.

[0005] Im Fußbereich treten die höchsten mechanischen Belastungen der Laufschaufel im Betrieb durch die die Pressung der Tragflächen hervorrufende Fliehkraft der Laufschaufel auf, so daß die Belastbarkeit sogar hochfester Keramiken, wie z.B. von heißgepreßtem Siliziumnitrid (Si₃N₄), weitgehend ausgenutzt wird bzw. teilweise nicht ausreicht.

[0006] Eine Hauptschwierigkeit liegt darin, daß die spröde, nicht plastisch verformbare Keramikschaufel, d.h. ihr Fuß bzw. dessen Tragflächen, längs der Nut an deren Tragflächen nicht gleichförmig aufliegt bzw, aufliegen, was durch unvermeidliche Fertigungsungenauigkeiten bedingt ist. Dies führt häufig zu örtlichen Spannungs- überhöhungen, was die Bruchdrehzahl oder zulässige Fliehkraftbelastung der Schaufel verkleinert.

[0007] Eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu vermindern oder zu beseitigen, besteht darin, zwischen die Tragflächen eine Folie aus Metall einzulegen. Diese Folie gleicht, indem sie plastisch verformt wird, die genannten Fertigungsungenauigkeiten zumindest zum Größten Teil aus und sorgt für eine zumindest einigermaßen gleichmäßige Krafteinleitung, so daß sich für die Schaufel eine höhere Bruchdrehzahl oder dgl. und eine größere Lebensdauer erreichen lassen.

[0008] Zusätzlich verringert die Folie die Reibung zwischen dem Fuß und der Nut, so daß sich die Gefahr verringert, daß die Schaufel bzw. ihr Fuß durch Temperaturwechsel in der Nut verklemmt wird und zusätzliche Belastung erfährt. Zur Erklärung dazu folgendes: Die Läuferscheibe wird im Betrieb heiß, wodurch sich die Nut verbreitert und die Schaufel radial nach außen wandert, und beim Abkühlen geht die Schaufel, wenn die Folie nicht vorgesehen ist, wegen der Reibung nicht zurück, und die Nutbreite verkleinert sich und übt auf die Schaufel bzw. ihren Fuß zusätzliche Spannung aus.

[0009] Nachteilig ist bei der Folie folgendes: Es werden, obwohl die Folie sich durch plastische Verformungen anpaßt, durch Fertigungsungenauigkeiten hervorgerufene Spannungsspitzen im keramischen Fuß oder zusätzlich in der keramischen Läuferscheibe nur teilweise abgebaut. Ferner ist die Montage der Schaufel bzw. ihres Fußes und der Folie schwierig, wenn diese Teile klein sind. Des weiteren besteht die Gefahr, daß die Folie vor dem Betrieb oder während des Betriebs der Turbomaschine verrutscht.

[0010] Die Aufgabe gemäß der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu vermindern bzw. zu beseitigen u. wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Belag baut bzw. die beiden erfindungsgemäßen Beläge bauen genannte Spannungsspitzen besser ab, weil dieser Belag bzw. diese Beläge durch das Pressen seitens der Preßflächen leichter verformbar ist bzw. sind als die Folie. Ferner ist der Belag bzw. sind die Beläge mit wenig Mühe herstellbar, und der Belag haftet fest an der Preßfläche oder den beiden Preßflächen bzw. die Beläge haften fest an den beiden Preßflächen.

[0011] Es tritt bzw. treten an die Stelle der Folie der Belag oder die Beläge, so daß es bei kleiner Schaufel bzw. kleinem Fuß keine Montageschwierigkeiten mehr gibt. Auch gibt es kein Folienverrutschen mehr.

[0012] Zur Herstellung des Belags wird die bei der Erfindung genannte Metallpulver-Suspension auf die Preßfläche bzw. -flächen aufgebracht, wo sie auftrocknet. Bei einem anschließenden Erhitzen der aufgetrockneten Suspension kann ein fester Anteil des nichtmetallischen Bestandteils der Suspension entweichen, und es bleibt dann der Belag zurück. Er besteht aus dem Metall des Metallpulvers. - Die Metallpulverkörnchen haben eine mittlere Korngröße von insbesondere 0,1 µm bis 54 µm.

[0013] Die Erfindung wird im allgemeinen dann angewendet, wenn die Preß- oder Fügestelle außer dem Preßflächendruck noch thermischer Belastung ausgesetzt ist. Die Erfindung kann auch vorteilhafterweise dann angewendet werden, wenn die Preß- oder Fügstelle unter Druck eines Fluids steht; die Preß- oder Fügestelle hält mit dem erfindungsgemäßen Belag bzw. den erfindungsgemäßen Belägen im allgemeinen besser dicht als mit der Folie.

[0014] Die erfindungsgemäße Zwischenlage wird insbesondere bei Preßflächen verhakter, hintergreifender oder dgl. Preßflächenträger, wie z.B. bei den genannten Laufschaufelbefestigungen, angewendet, wo also dann die Pressung durch Gezogenwerden, bei diesen Laufschaufelbefestigungen durch die Laufschaufelzentrifugalkraft, zustande kommt. Sie kann aber auch z.B. bei Gegeneinanderdruck ohne Verhakung angewendet werden.

[0015] Im folgenden sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung bzw. der Suspension für die Erfindung angegeben - siehe auch die Unteransprüche 2 und 3.

[0016] Für das Metallpulver sind die im Anspruch 2 genannten Metalle oder Metallmischungen die bevorzugten. Welches Metall bzw. welche Metallmischung gewählt wird, richtet sich nach der Betriebstemperatur der mit dem Belag zu versehenden Preß- oder Fügestelle. Bezüglich des nichtmetallischen Bestandteils der Suspension richtet man sich im allgemeinen nach dem Anspruch 3. Des weiteren ist die Suspension meist dünnflüssig. Ferner läßt sich die Suspension leicht auftragen. Oft wird sie aufgepinselt.

[0017] Sie trocknet z.B. in der Art eines Lacks an Luft ab. Der nichtmetallische Bestandteil der Suspension darf beim Erhitzen auf das Metallpulver nicht oxidierend wirken. Erwünscht ist eine reduzierende Wirkung, wie z.B. beim Kolophonium.

[0018] Zur Herstellung der Zwischenlage wird z.B. gemäß dem Anspruch 4, vorzugsweise aber gemäß des Anspruchs 5 vorgegangen. So erhält man einen auf einer Preßfläche oder den beiden Preßflächen haftenden Belag (Anspruch 4 oder 5) oder zwei auf den beiden Preßflächen haftende Beläge (Anspruch 4). Die im Anspruch 5 genannten Kapilarkräfte bewirken ein vollständiges Ausfüllen des genannten Zwischenraums mit der Suspension. Wird gemäß dem Anspruch 5 vorgegangen, werden Fertigungsungenauigkeiten bereits ohne plastische Verformung des Belags weitgehend ausgeglichen, wodurch Spannungsspitzen besonders wirkungsvoll abgebaut werden. Wird gemäß dem Anspruch 7 vorgegangen, entsteht ein Belag, der einer Oxidation weitgehend widersteht. An Luft oxidierende Metalle sind z.B. Nickel oder Titan.

[0019] In der Zeichnung ist Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer Axiallaufschaufelbefestigung an einer Läuferscheibe einer Axialgasturbine dargestellt.

[0020] 

Fig. 1 zeigt dies in einem zur Nutlängs- und Fußeinschiebrichtung senkrechten Schnitt I-I, und

Fig. 2 zeigt dies in einem zum Schnitt I-I und zurläuferradialen Fuß-Mittelebene senkrechten Ebene II-II.

[0021] Die genannte Richtung ist mit 10, die genannte Mittelebene mit 11 bezeichnet. Die Richtung 10 verläuft - siehe Fig. 2 - schräg zur Umfangsrichtung - Pfeil 17 - der Läuferscheibe 13. Im wesentlichen ergeben der keramische Fuß 15 der keramischen Axiallaufschaufel und die zugehörige Nut 18 der metallischen Läuferscheibe 13 zusammen mit zwei zur besseren Sicht übertrieben dick dargestellten, metallischen Zwischenbelägen 14 die genannten Axiallaufschaufelbefestigung. An den Fuß 15 schließt sich ein abgebrochen dargestellter, taillenartiger Obergangsteil 16 und an diesen, was nicht dargestellt ist, eine Schaufelplattform und daran das Schaufelblatt an; die SchaufeY_Desteht einstückig aus allen diesen Teilen. Es weisen der Fuß 15 und die Nut 18 auf jeder Seite der Mittelebene 11 und soiegelbildlich zu ihr zwei miteinander korrespondierende, ebene, zueinander parallele Tragflächen 19 und 20 auf, die zur Mittelebene 11 unter einem Flankenwinkel α von etwa 40⁰ verlaufen (siehe Fig. 1) und zwischen denen sich der Zwischenbelag 14 befindet. Jedes der beiden Tragflächenpaare 19, 20 ist wegen des Flankenwinkels α durch die radial wirkende Zentrifugalkraft - Pfeil 24 - schräg gepreßt. Die Tragflächen 19 und 20 erstrecken sich (siehe Fig: 2) von der einen Stirnseite 21 bis zur anderen Stirnseite 22 der Läuferscheibe 13. Der Zwischenbelag 14 erstreckt sich über diese gesamte Länge der Tragflächen 19 und 20 (Fig. 2) und die gesamte Breite der Tragfläche 19 und praktisch die gesamte Breite der Tragfläche 20 (Fig. 1). Die Tragfläche 19 ist etwas schmaler als die Tragfläche 20 und befindet sich bei Vollast der Axialgasturbine wie in Fig. 1 dargestellt beidseitig in kleinem Abstand von den Längskanten der Tragflächen 20. - Zur Herstellung des metallischen Zwischenbelags 14 wird eine Metallpulver-Suspension mit einem Lack als nichtmetallischem Bestandteil außen an dem zwischen den Tragflächen 19 und ₂₀ befindlichen Zwischenraum auf der Längsseite 23 desselben aufgepinselt, und die Kappilarkräfte füllen diesen Zwischenraum mit dieser Suspension voll aus.

[0022] Die Ausfüllung wird an Luft getrocknet, d.h. das Lösungsmittel des Lacks verdampft. Dann wird die getrocknete Ausfüllung durch das in beschaufelten Strömungsraum strömende Fluid erhitzt, so daß der feste Anteil des Lacks entweicht. Der Zwischenbelag 14 haftet fest an den Tragflächen 19 und 20.

Ansprüche

1. Zwischenlage aus Metall zwischen insbesondere schräg gepreßten Preßflächen zweier Preßflächenträger, von denen zumindest einer wenigstens im Preßflächenbereich, einschließlich Preßfläche, aus keramischem Werkstoff besteht, vorzugsweise zwischen Tragflächen eines Axiallaufschaufelfußes und einer diesen Fuß aufnehmenden Nut eines Läuferteils einer Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage mindestens ein aus einer Metallpulver-Suspension hergestellter Belag (14) ist.

2. Zwischenlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver aus Platin, Nickel, Chrom, Titan, Tantal, Kupfer, Magnesium oder Zink oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle besteht.

3. Zwischenlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmetallische Bestandteil der genannten Suspension eine organische Flüssigkeit oder ein Lack oder eine lackartige oder - ähnliche Flüssigkeit, vorzugsweise Zapon- oder Nitrolack oder ein in Alkohol gelöstes Harz, wie z.B. Kolophonium, ist.

4. Verfahren zu Herstellung der Zwischenlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Suspension auf eine der beiden oder beide Preßflächen (19,20) aufgetragen wird und dann die Preßflächenträger (13,15) zusammengebaut werden und diese Suspension getrocknet wird oder umgekehrt und gegebenenfalls die getrocknete Suspension erhitzt bzw. vor oder nach diesem Zusammenbau erhitzt wird.

5. Verfahren zur Herstellung der Zwischenlage nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßflächenträger (13,15) zusammengebaut werden, die Suspension außen an dem zwischen den Preßflächen (19.20) befindlichen Zwischenraum aufgetragen wird und durch Kapillarkräfte in diesen Zwischenraum fließt und darauf die Suspension getrocknet und gegebenenfalls zusätzlich die getrocknete Suspension erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht an Luft oxidierenden Metallen des Metallpulvers das genannte Trocknen und das genannte Erhitzen an Luft, bei an Luft oxidierenden Metallen des Metallpulvers das genannte Trocknen an Luft oder in einem Schutzgas und das genannte Erhitzen in einem Schutzgas durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei an Luft oxidierenden Metallen des Metallpulvers zur Herstellung eines oxidationsfesten genannten Belags (14) die aufgetragene Suspension in reduzierender Schutzgasatmosphäre auf etwa 60% bis etwa 95% der Schmelztemperatur des Metalls des Belags (14) erhitzt wird.

Zeichnung