Verfahren zur Herstellung einer beschaufelten Turbinenrotorscheibe für Gasturbinenanlagen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Tur- binenrotorscheibe mit Schaufeln für Gastur binenanlagen.
In solchen Anlagen wird be kanntlich mit Brennstoff vermischte, kom primierte Luft verbrannt, wobei die Ener gie der heissen IIochdruckverbrennungsgase zum Antrieb des Turbinenrotors verwen det wird, in dem diese Gase mittels eines oder mehrerer stationärer Leitschaufelkränze einem oder mehreren Turbinenrotorschaufel- kränzen zugeführt werden, welche dabei Ar beit leisten. Der Wirkungsgrad solcher Tur binen ist durch die Maximaltemperatur be grenzt, bei welcher die heissen Verbrennungs gase der ersten Turbinenstufe zugeführt wer den.
Diese Begrenzung ist bedingt durch die Warmfestigkeit und Korrosionsfestigkeit des Materials der Turbinenschaufeln, welche mit grosser Umfangsgeschwindigkeit rotieren und dabei relativ grosse Belastungen erfahren.
Der thermische Wirkungsgrad jeder Tur bine steigt mit der Temperatur der in die erste Stufe einströmenden Verbrennungsgase.
Das für solche T'urbinenschaufelungeri verwendete Material ist üblicherweise eine Legierung auf Kobaltbasis, die etwa 60 % Kobalt, etwa 20 % Chrom, etwa 5 % Nickel und einige weitere Zusätze enthält. Die -Warmfestigkeit solchen Materials, wenn es für eine minimale Lebensdauer vorgesehen ist, übersteigt 800 C nicht, weshalb Gastur binen bisher nur mit Verbrennungsgasen von einer höchstens 800 C erreichenden Tem peratur betrieben wurden.
Es sind verschiedene korrosionsfeste Ma terialien bekannt, welche eine bedeutend grö ssere Korrosionsfestigkeit aufweisen als Me tallegierungen der vorgenannten Art und welche eine genügend grosse Bruchfestigkeit aufweisen, um als Material zur Herstellung von Turbinenschaufeln verwendet werden zu können. Solche Materialien sind zum Beispiel gesinterte Titaniumkarbide.
Man nahm jedoch bisher allgemein an, dass es unmöglich sei, gesinterte korrosionsfeste Materialien für Gasturbinenschaufeln zu ver wenden, die mit Drehzahlen bis 20 0001 T/Miu. rotieren, da diese bekannten Materialien zu wenig dehnbar sind.
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Feststellung, dass trotz der genann ten Eigenschaften die, bekannten gesinterten korrosionsfesten Materialien auch zur Her stellung von Gasturbinenschaufeln verwendet werden können, vorausgesetzt, dass der Tur binenrotor nur einen kleinen Durchmesser, zum Beispiel 30 bis 40 cm, aufweist, und dass die Schaufeln ebenso wie die Rotorscheibe selbst aus gesintertem, pulverförmigem Ma terial hergestellt sind, wobei die Schaufeln. durch Sintern mit der Rotorscheibe verbun den werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll vor allem ermöglichen, einen Turbinenrotor zu schaffen, dessen Rotorscheibe und Schaufeln aus einem korrosionsfesten, gesinterten Mate rial bestehen und der trotz der geringen Dehnbarkeit dieses Materials den im Betrieb auftretenden Beanspruchungen gewachsen ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe und die )Schaufeln getrennt durch Sinterung aus pulverförmigem Material hergestellt wer den, wobei ein Umfangsteil der Rotorscheibe mit Ausnehlnungen zur Aufnahme der Schau felfüsse versehen und so ausgebildet wird, dass, wein Schaufelfuss und'Scheibenumfangs- teil gemeinsam der gleichen 'Sinterimgsbe- handlung unterworfen werden,
die Schaufel füsse weniger schrumpfen als der Scheiben umfangsteil, dass dann die \Schaufeln mit ihren Füssen in die Ausnehmungen der Ro- torscheibe eingesetzt werden, und dass an schliessend das so zusammengesetzte Gebilde bei einer Temperatur gesintert wird, bei wel cher der Umfangsteil der Rotorscheibe stär ker schrumpft als die Füsse der ',Schaufeln, wodurch der genannte Umfangsteil auf die Schaufelfüsse aufgeschrumpft und letztere in den Ausnehmungen des Rotorscheibeniun- fangsteils festgeklemmt werden.
Das Verfahren nach, der Erfindung ist anschliessend an Hand der beiliegenden Zeich nung beispielsweise näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch einenTeil einer nach dem erfindungsgemässen Verfah ren hergestellten Rotorscheibe, die Verbin dungsstelle zwischen einer Schaufel und der Rotorscheibe zeigend, Fig.2 eine Draufsicht zu Fig.1 mit ge schnittener.
.Schaufel und Fig.3 und 4 Schnitte gemäss Fig.1, je eine Variante einer nach dem erfindungs gemässen Verfahren hergestellten R.otor- scheibe zeigend.
In den Fig.1 und 2 sind Teile einer zum Einbau in eine Gasturbinenanlage bestimm ten Turbinenrotorscheibe gezeichnet, die aus gesintertem, pulverförmigem Material, zum Beispiel aus Titaniumkarbid, besteht und an deren -Umfang vorfabrizierte 'Schaufeln aus gleichem oder einem ähnlichen Material be festigt sind;
das Material wird so gewählt, dass Schaufeln und Rotorscheibe in der Heik;- gaszone der Gasturbinenanlage bei Gastem peraturen von mehr als '800 C bis zu 1O0 C und 1600 C noch arbeitsfähig bleiben, wobei sie mit Drehzahlen rotieren, die bei 20 000 bis 310- 000 TIMin. oder höher liegen, ohne dass dabei die Streckgrenze des Materials bei den grossen Betriebsbelastungen überschritten wird.
Der Umfangsteil 41 der Rotorscheibe 12 wird bei der durch ISinterung erfolgenden Herstellung der 'Scheibe mit einer Mehrzahl von axial verlaufenden, gleich ausgebildeten Nuten 42 versehen, welche durch Vorsprünge 43 voneinander getrennt sind. Jede Schaufel 22 (nur eine gezeichnet) erhält bei ihrer ebenfalls durch :Sinterung erfolgenden Her stellung einen Fuss 27, der annähernd ebene, nach dem Fussende zusammenlaufende Ver bindungsflächen aufweist, welche zum Zu sammenwirken mit entsprechenden Verbin dungsflächen der Nuten 42. bestimmt sind.
Bei der in Fig.3 gezeigten Variante wird der nach unten seinem freien Ende hin sich ver jüngende Schaufelfussteil 27 jeder Schaufel 2.2 mit zusätzlichen runden Vorsprüngen ver sehen, welche beim Einsetzen der 'Schaufeln in den Umfangsteil 41 in entsprechende Ver tiefungen der Seitenwände der Nuten 42 ein greifen. Fig.4 zeigt eine weitere Variante einer beschaufelten Turbinenrotorscheibe, bei welcher der Schaufelfuss 27 bei der Herstel lung der Schaufel mit einem verdickten, ab gerundeten Ankerkopf 27a versehen wird, der bei in den 'Scheibenumfangsteil eingesetzter Schaufel in einen entsprechend geformten Teil der Nut 42 eingreift.
Wie erwähnt, werden die Rotorscheibe und die Schaufeln getrennt durch Sinterung her gestellt, worauf man die .Schaufeln 22 mit ihrem Fuss 27 in die Nuten 42 am Umfangs teil 41 der Scheibe einsetzt. Die Verbindung zwischen Rotorscheibe und -Schaufeln wird dadurch hergestellt, dass man das aus Scheibe und Schaufeln zusammengesetzte Gebilde einer 'Sinterimg bei hoher Temperatur unter wirft, bei welcher Rotorscheibe und Schau feln eine unterschiedliche Schrumpfung er- leiden, und zwar so,
dass der Umfangsteil 41 der Rotorscheibe auf die Schaafelfüsse 27 auf geschrumpft wird, wodurch die letzteren im Scheibenkörper festgeklemmt werden, wäh rend an den Verbindungsflächen der 'Schau felfüsse und Nuten eine Sinterverbindung her gestellt wird.
Die unterschiedliche :Schrumpfung der Rotorscheibe und der Schaufelfüsse kann auf die verschiedensten Arten erzielt werden.
So können zum Beispiel die Vorsprünge 43 zwischen den Nuten 42 der Rotorscheibe 12: dicker gemacht werden als die Schaufel füsse 27, so dass beim Erwärmen des Gebil des auf Sintertemperatur das grössere Vo lumen der Vorsprünge 43 stärker schrumpft als der Schaufelfuss 2.7 der 'Schaufel 22. Somit wird der Umfangsteil 41 der Scheibe 12, der eine grössere @Sehrumpfung erfährt als die Schaufelfüsse 27, auf die letzteren aufge schrumpft, wodurch die Schaufelfüsse fest geklemmt werden und zwangläufig eine feste Verbindung zwischen 'Schaufelfuss und Scheibe erzielt wird, ohne dass die zu ver bindenden Teile unzulässigen Spannungen ausgesetzt werden.
Anderseits kann das für die ;Schaufeln 22 oder nur für deren Fuss 27 verwendete Ma terial so gewählt Lind geformt werden, dass der Umfangsteil 41 der iScheibe 1'2 stärker schrumpft als der 'Schaufelfuss.
Wenn zum Beispiel das gleiche Material für die Herstel lung der Scheibe Lind der 'Schaufel gewählt wird, kann der Schaufel oder ihrem Fuss eine geringere Porosität gegeben werden, als sie der .Scheibenkörper besitzt, Lmd zwar kann diese Massnahme schon beim vorausgehenden Pressen des pulverförmigen Materials und/ oder durch eine Vorsinterung erreicht wer den. Ferner kann für die ,Schaufeln ein an deres Material verwendet werden als für die Scheibe, das eine geringere 'Schrumpfung auf weist als das Material der Scheibe.
In jedem Fall wird, wenn die Rotor seheibe T2 zusammen mit den in die Nuten 42 eingesetzten Schaufelfüsse 27 der Schau feln 22 einer SinterLmg bei hoher Tempera tur ausgesetzt wird, welche eine ,bestimmte Sclirumpfiuig der Scheibe und der Schau feln bewirkt, die grössere Schrumpfung des Umfangsteils 41 der iScheibe bewirken, dass dieser Umfangsteil auf die Schaufelfüsse auf geschrumpft wird, während die letzteren @im Scheibenrand festgeklemmt werden, da sie eine geringere Schrumpfung erfahren.
Da durch wird eine einwandfreie, feste Verbin dung zwischen den Schaufelfüssen tnid der Rotorscheibe hergestellt, während gleichzeitig die SinterLmg unabhängig von der genannten Klemmverbindung eine zusätzliche feste Ver bindung zwischen den Schaufelfüssen und dem Umfangsteil der Rotorseheibe schafft.
Um dem Fachmann die Herstellung der beschriebenen Elemente zu erleichtern, ist anschliessend ein praktisches Ausführungsbei spiel des Herstellungsverfahrens angeführt, welches eine äusserst feste Verbindung ewi- sehen Turbinenschaufelfüssen aus gesintertem pulverförmigem -Material mit der Turbinen- rotörscheibe aus ähnlichem, gesintertem Ma terial ergibt.
Aus einem Pulver von geeigneter Korn grösse, das aus etwa 6<B>0</B> % Titankarbid, 32 % Nickel und 8 "/a Chrom besteht, werden durch Kaltpressen in überdimensionierten Formen bei einem Druck von etwa 300 bis 3000 kgicm2 Rohlinge entsprechend der Form der ;Schau feln 22. und der Rotorscheibe 12 hergestellt.
Bei der Herstellung der Formen muss der Formgebung der Schaufeln und der Schrump fung der Schaufeln und der Rotorscheibe bei der Sinterung oder einer andern eventuell vorgesehenen Wärmebehandlung Rechnung . getragen werden.
Die :Schaufelrohlinge und der Rotorschei- benroli-ling werden dann während etwa@1'5 Mi nuten bei einer Temperatur von 1100 C bis 250011 C vorgesintert, so dass Werkstücke er halten werden, die genügend fest sind, um leicht in der üblichen Weise bearbeitet Emd atü die endgültige Form gebracht werden zu können.
Die ,Schaufelrohlinge werden dabei etwas länger vorgesintert als der Schei benrohling, der zLim Beispiel während 12 bis 13 'Minuten vorgesintert wird, um ihm eine etwas grössere Porosität bzw. eine geringere Dichte zu geben.
Anschliessend an die beschriebene Form gebung werden die Schaufelfüsse der vorge- sinterten Schaufeln in die Randnuten der ebenfalls vorgesinterten Rotorscheibe einge setzt.
Dieses zusammengesetzte Gebilde wird dann während 5 bis 50 Stunden einer Sin- terung bei etwa 1b00 C bis 2500 C unter worfen.
Durch diese Endsinterung erhalten sowohl die Rotorscheibe als auch die an ihr befestigten 'Schaufeln. die gewünschten Eigen schaften des Endproduktes und die Schau feln werden dabei am Umfangsteil der R.o- torscheibe durch Sinterverbindung befestigt. Da die vorgesinterte Scheibe eine grössere Porosität aufweist als die ebenfalls vorge- <RTI
ID="0004.0027"> sinterten Schaiüelfässe, wird die Scheibe mehr schrumpfen als diese Schaufelfüsse und dem zufolge atü die letzteren aufgeschrumpft; da durch wird eine feste Verbindung zwischen Rotorscheibe und Schaufeln hergestellt. .
In ähnlicher Weise können andere zur Sinterung geeignete, pulverförmige Materia lien zur Herstellung der Schaufeln und der Rotorscheibe verwendet werden, welche Teile durch unterschiedliche Schrumpfung des Ro- torseheibenumfangteils und der einzelnen Schaufelfüsse fest miteinander verbunden werden, um eine beschaufelte Rotorscheibe zu schaffen, bei welcher die :
Schaufeln fest in der Rotorscheibe verankert sind.