DE3880995T2 - Rotor fuer eine gasturbine. - Google Patents
Rotor fuer eine gasturbine.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenrotor geinäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Diese Erfindung betrifft Gasturbinentriebwerke und insbesondere Turbinenrotoren für Gasturbinentriebwerke.
- Eines der Hauptziele bei der Entwicklung von fortschrittlichen Gasturbinentriebwerken ist es, das Verhältnis von Schubabgabe zu Triebwerksgewicht zu maximieren. Möglichkeiten zum Erhöhen des Triebwerks-Schub/Gewicht-Verhältnisses beinhalten Erhöhen des spezifischen Triebwerksschubes (Schub/Luftströmung) und Reduzieren des spezifischen Triebwerksgewichtes (Gewicht/Luftströmung). Eine Erhöhung des spezifischen Schubes kann erreicht werden durch Erhöhen der Turbinenrotoreinlaßtemperatur. Eine Verringerung des spezifischen Gewichts kann erreicht werden durch Verringern der Dichte und/oder der Größe von Triebwerksbauteilen. Keine dieser Möglichkeiten ist mit herkömmlichen Materialien realisierbar.
- Es werden intensive Anstrengungen gemacht, fortschrittliche Materialien und innovative Konfigurationen zu entwickeln, um Triebwerksbauteile geringerer Dichte zu schaffen, die eine verbesserte Beständigkeit bei erhöhter Temperatur aufweisen.
- Die WO-A-8 402 880 beschreibt SiC-faserverstärkte Turbinenlaufschaufeln, die aus durch Fasergarne verstärkter Glas- oder Glaskeramikmatrix hergestellt sind.
- Die US-A-4 428 763 beschreibt einen faserverstärkten Glasmatrixverbundgegenstand, der Verstärkungsfasern enthält, die in einer Glasmatrix ausgerichtet sind.
- Der Turbinenrotor nach der vorliegenden Erfindung ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinenrotor offenbart. Der Turbinenrotor umfaßt eine Glas- oder Glaskeramikmatrix, die sowohl mit einer Siliciumcarbidgarnfaserverstärkung als auch mit einer Siliciumcarbidmonofilamentfaserverstärkung verstärkt ist. Der Volumenprozentsatz an Monofilamentfaserverstärkung nimmt mit zunehmender radialer Entfernung von dem Innenumfang des Turbinenrotors zu. Der Turbinenrotor nach der vorliegenden Erfindung hat einen ungleichförmigen Elastizitätsmodul, der mit zunehmendem radialen Abstand von dem Innenumfang des Turbinenrotors zunimmt und für eine hohe Umfangsfestigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen sorgt.
- Das Glasmatrixmaterial nach der vorliegenden Erfindung wird auf der Basis seiner Temperaturbeständigkeit und seiner chemischen und thermischen Kompatibilität mit der Faserverstärkung gewählt. Gläser, die mit der Faserverstärkung chemisch kompatibel sind, reagieren nicht, um die Faserverstärkung während der Verarbeitung wesentlich zu verschlechtern. Ein Glasmatrixmaterial ist mit der Faserverstärkung thermisch kompatibel, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Faserverstärkung ausreichend gleichartig sind, so daß der Verbundgegenstand während thermischer Wechselbeanspruchung aufgrund von übermäßigen thermischen Beanspruchungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Glasmatrix und der Fasern erzeugt werden, nicht delaminieren wird. Borsilicatglas (z.B. Corning Glass Works (CGW) 7740), Aluminiumoxidsilicatglas (z.B. 1723) und Glas mit hohem Silicagehalt (z.B. CGW 7930) sowie Gemische von Gläsern sind geeignete Matrixmaterialien. Glaskeramikmaterialien wie Lithiumaluminosilicat (LAS), Magnesiumaluminosilicat (MAS) und Calciumaluminosilicat (CAS), die während der Verarbeitung teilweise kristallisiert werden können, sowie Gemische von Glaskeramikmaterialien und Gemische von Glasmaterialien und Glaskeramikmaterialien können ebenfalls als das Glasmatrixmaterial der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Die Wahl des Glasmatrixmaterials hängt von den besonderen Forderungen des vorgesehenen Verwendungszwecks ab. Zum Beispiel, Borsilicatglas ist das bevorzugte Glasmatrixmaterial für Verwendungszwecke, die eine Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 550 ºC erfordern, weil seine Temperaturbeständigkeit in Relation zu der von anderen Glasmaterialien zwar gering ist, Borsilicatglas jedoch leichter verarbeitet werden kann als die anderen Glasmaterialien. Für Verwendungszwecke, die eine Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 1200 ºC verlangen, sind Glaskeramikmaterialien, insbesondere LAS, bevorzugte Matrixmaterialien wegen ihrer überlegenen Temperaturbeständigkeit.
- Die Garnfaserverstärkung der vorliegenden Erfindung kann irgendeine organische Garnfaser umfassen, welche eine hohe Zugfestigkeit, einen hohen Zugmodul und Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist. Garnfasern sind üblicherweise Fasern kleinen Durchmessers, die in Multifilamentkabeln (üblicherweise 500 oder mehr Filamente pro Kabel) im Handel erhältlich sind. Anorganische Garnfasern werden üblicherweise hergestellt durch Erhitzen von gesponnenen organischen Vorläuferfasern und haben einen Durchmesser von weniger als 30 um (Mikrometer). Geeignete anorganische Garnfasern umfassen Siliciumcarbidfasern und feuerfeste Metalloxidfasern. Siliciumcarbidfasern werden bevorzugt. Nicalon-Faser von keramischer Qualität (Nippon Carbon Company) ist ein Siliciumcarbidgarn, das sich für die Ausführung der vorliegenden Erfindung als besonders geeignet herausgestellt hat. Die Nicalon-Garnfaser ist in 500-Filamenten-Kabeln mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen 5 - 15 um (Mikrometer) erhältlich und hat eine Zugfestigkeit von etwa 2070 Megapascal (MPa) und einen Elastizitätsmodul von etwa 176 Gigapascal (GPa).
- Die Monofilamentfaser der vorliegenden Erfindung kann irgendeine anorganische Monofilamentfaser umfassen, die eine hohe Zugfestigkeit, einen hohen Zugmodul und Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist. Monofilamentfasern sind Fasern relativ großen Durchmessers, die als ein Einzelfilament erhältlich sind. Anorganische Monofilamentfasern werden üblicherweise durch chemisches Aufdampfen des Fasermaterials auf einen Kohlenstoff- oder Wolframkern hergestellt und sind üblicherweise im Durchmesser größer als etwa 100 um (Mikrometer). Siliciumcarbidmonofilamentfasern werden bevorzugt. SCS-6-Siliciumcarbidmonofilamentfaser, die von AVCO Specialty Materials Division erhältlich ist, wird besonders bevorzugt. Die Faser SCS-6 hat einen Durchmesser von nominell 144 um (Mikrometer) und weist eine spezifische Zugfestigkeit von etwa 3450 MPa und einen Elastizitätsmodul von etwa 413 GPa auf.
- Die Zusammensetzung des Turbinenrotors variiert mit der radialen Entfernung von dem Innenumfang des Rotors. Die Zusammensetzung des Rotors wird hier in lokalen Volumenbruchteilen beschrieben, wobei ein lokaler Volumenbruchteil die relative Zusammensetzung eines lokalen Volumenelements beschreibt. Ein lokales Volumenelement wird hier als ein zylindrischer Mantel definiert, der eine Breite hat, die gleich der Breite des Rotors ist und einen inneren Radius von r aufweist sowie einen äußeren Radius von r + Δr, wobei Δr gleich einem Faktor von 4 mal dem Faserdurchmesser der Monofilamentfaserverstärkung ist. Der lokale Volumenprozentsatz an Monofilamentfaser kann zwischen 0% und etwa 50% liegen. Der lokale Volumenprozentsatz an Garnfaserverstärkung kann zwischen etwa 15% und etwa 50% liegen. Der lokale Volumenprozentsatz an Matrixmaterial kann zwischen etwa 20% und etwa 50% variieren. Es ist klar, daß diese Werte in Fällen notwendigerweise angenähert sind, die eine Zusammensetzung haben, welche mit dem radialen Abstand von dem Innenumfang des Rotors monoton variiert.
- Die physikalischen Eigenschaften des Rotors sind ebenfalls lagespezifisch und können durch lokale physikalische Eigenschaften beschrieben werden, welche für ein besonderes lokales Volumenelement spezifisch sind. Die lokale Zusammensetzung wird so gewählt, daß sich gewählte Werte für die lokale Zugfestigkeit und den lokalen Elastizitätsmodul ergeben.
- Die besondere Zusammensetzung, die erforderlich ist, um eine besondere lokale physikalische Eigenschaft zu schaffen, welche einen Wert aufweist, der innerhalb eines ausgewählten Bereiches liegt, kann berechnet werden, indem die Regel von Mischungsgleichungen benutzt wird, modifiziert, so daß das Vorhandensein von zwei Arten von Verstärkungsfasern berücksichtigt wird. Zum Beispiel, die Longitudinal- und Transversalmoduln für einen mit unidirektional orientierter Monofilament- und Garnfaser verstärkten Gegenstand kann durch die folgenden Gleichungen vorhergesagt werden (adaptiert aus Gleichungen, die von Halpin & Tsai, J.C. Halpin, Primer on Composite Materials: Analysis, S. 130-142, Technomic Pub. Co., Lancaster, Pa., 1984, entwickelt worden sind).
- E&sub1;&sub1; = Vf1E11f1 + Vf2E11f2 + VmEm (Gleichung 1)
- und
- wobei
- E&sub1;&sub1; = Longitudinalverbundmodul
- E11f1 = Faser-1-Longitudinalmodul
- E11f2 = Faser-2-Longitudinalmodul
- E&sub2;&sub2; = Transversalverbundmodul
- E22f1 = Faser-1-Transversalmodul
- E22f22 = Faser-2-Transversalmodul
- Em = Matrixmodul
- Vf1 = Volumenprozent Faser 1
- Vf2 = Volumenprozent Faser 2
- V*f2 = Volumenprozent Faser 2 in Glas allein
- Vm = Volumenprozent Matrix
- η&sub1; = [(Ef1/Em)-1]/[(Ef1/Em)+2]
- η&sub2; = [(Ef2/Em)-1]/[Ef2/Em)+2]
- = 2 = konstant
- Der Turbinenrotor nach der vorliegenden Erfindung kann durch ein Warmpreßverfahren hergestellt werden, wie es beschrieben ist in der US-A-4 909 872, betitelt "Process for Making a Fiber Reinforced Composite Article", oder durch ein Matrixspritzverfahren, wie es in dem US-Patent-Nr. 4 428 763 beschrieben ist.
- Ein bevorzugtes Warmpreßverfahren zum Herstellen des Turbinenrotors nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Schritte Anfertigen einer Vielzahl von Monofilamentfaserbändern, Anfertigen einer Vielzahl von Garnfaserbändern, Einlegen jedes Monofilamentbandes zwischen zwei Garnbänder, um eine Vielzahl von Verbundlagen zu bilden, Auflegen einer Vielzahl von Verbundlagen, um einen Verbundrotorvorformling zu bilden, und Verfestigen des Verbundrotorvorformlings, um den Verbundturbinenrotor zu bilden.
- Tabelle I zeigt die Zusammensetzung jeder Lage in einer Serie von 25 Verbundlagen, gibt den unter Verwendung der obigen Gleichung 1 berechneten Elastizitätsmodul für jede Lagenzusammensetzung an und gibt außerdem die Zusammensetzung des Monofilamentfaserbandes und des Garnfaserbandes an, aus welchen jede der 25 Verbundlagen hergestellt ist. TABELLE I Lage Nr. Elastizitätsmodul (GPa)
- Wobei
- TPIMF = Windungen Monofilamentfaser/Zoll Breite Monofilamentband
- TPCMF = Windungen Monofilamentfaser/cm Breite Monofilamentband
- VFMF = Volumenbruchteil Monofilamentfaser in der Ver bundlage
- TPIYF = Windungen Garnfaser/Zoll Breite Garnband
- TPCYF = Windungen Garnfaser/cm Breite Garnband
- VFYF = Volumenbruchteil Garnfaser in der Verbundlage
- GSCM = Gramm Glaspulver/cm² Garnband
- VFM = Volumenbruchteil Glaspulver in der Verbundlage
- Eine Serie von 25 Monofilamentbändern wird hergestellt. Siliciumcarbidmonofilamentfaser (SCS-6) wird auf einen runden Dorn mit einem Durchmesser von 71 cmm (28 Zoll) gewickelt. Der Dorn wird mit einer 0,025 mm (0.001 Zoll) dicken Schicht eines inerten Films (Mylar) bedeckt. Eine Monofilamentfaser wird mit 14,0 Windungen Faser pro cm (35,7 Windungen Faser pro Zoll) bei einer Breite von 5,08 cm (2 Zoll) gewickelt, um eine Monofilamentfaserschicht zu bilden. Die Monofilamentschicht wird mit einer Schicht organischen Bindemittels (Rhoplex AC-33, erhältlich von Rohm and Haas) überzogen. Ausreichend Bindemittel wird aufgebracht, damit sich ein Faserband ergibt, das leicht gehandhabt werden kann. Die Menge an Bindemittel ist nicht kritisch. Die überzogene Monofilamentschicht wird auf dem Dorn mit einer Heizlampe 30 Minuten lang getrocknet, um ein Monofilamentfaserband zu bilden. Nach dem Trocknen wird das Band an einer Stelle zerschnitten und von dem Dorn entfernt. Die übrigen 24 Bänder in der Serie werden jeweils gemäß einer ähnlichen Prozedur hergestellt, die sich nur in der Anzahl der Windungen Monofilamentfaser pro Zoll Breite des Monofilamentfaserbandes unterscheidet. Die Anzahl der Windungen Monofilamentfaser pro Zoll Breite des Monofilamentbandes (TPIMF) ist für jedes der 25 Monofilamentbänder in Tabelle I angegeben.
- Eine Serie von 25 Paar Garnfaserbändern wird hergestellt. Ein runder Dorn mit einem Durchmesser von 71 cm (28 Zoll) wird mit einer 0,025 mm (0.001 Zoll) dicken Schicht inerten Films umwickelt. Die Zugstange mit einem Durchmesser von 0,31 cm (1/8 Zoll) wird unter dem Film parallel zu der Längsachse des Dorns eingeführt. Ein Garnfaserkabel wird von einer Spule ohne ausgeübten Gegenzug abgezogen, durch eine Flamme hindurchgeleitet, um die Garnschlichte thermisch zu zersetzen, und mit 2,69 Windungen pro cm (6.85 Windungen pro Zoll) bei einer Breite von 5,08 cm (2 Zoll) auf den Dorn gewickelt, um eine Garnfaserschicht zu bilden. Nach dem Wickeln wird die Zugstange entfernt, um die Garnwindungen zu lockern. Eine Aufschlämmung, die 1 Gewichtsteil Borsilicatglaspulver und 2 Gewichtsteile Acrylbindemittel Rhoplex AC-33 enthält, wird gemischt. Lachen der Aufschlämmung, die ausreichen, um 8,75 x 10&supmin;³ Gramm Glas/cm² Garnfaserschicht bereitzustellen, werden auf die Fasern mit einem Löffel in relativ gleichmäßigem Abstand aufgebracht. Eine Schicht 0,025 mm (0.001 Zoll) dicken inerten Films (Mylar) wird um die Faser/Aufschlämmung-Schicht auf dem Dorn herumgewickelt. Die Aufschlämmung wird auf den Fasern gleichmäßig verteilt, und die Fasern werden über der Oberfläche des Dorns ausgebreitet, indem leichter Druck auf das Band in der Richtung der Fasern mit einer in der Hand gehaltenen Gummirolle ausgeübt wird. Der Film wird entfernt, und das Band wird mit einer Heizlampe 30 Minuten lang getrocknet. Das Band wird an einer Stelle zerschnitten und von dem Dorn entfernt. Die übrigen 24 Paar Garnfaserbänder werden durch ein ähnliches Verfahren angefertigt, aber mit einer anderen Anzahl von Windungen Garnfaser pro Zoll Breite der Garnfaserschicht und einer anderen Menge an Glas pro Fläche Garnfaserschicht. Die Anzahl der Windungen Garnfaser pro cm (pro Zoll) Breite des Garnbandes, TPCYF (TPIYF) ist für jedes der 25 Paar Garnband in Tabelle I angegeben. Die Menge an Glasmatrixpulver / Garnfaserbandfläche in Gramm Glas/cm² Garnband (GSCM), die auf jedes der Bänder aufgebracht wird, ist ebenfalls in Tabelle I angegeben.
- Eine Serie von 25 Verbundlagen wird hergestellt. Jede Verbundlage wird hergestellt durch Einlegen eines Monofilamentbandes zwischen das entsprechende Paar Garnbänder. Jede der Verbundlagen wird bei 150 ºC und 0,68 MPa (100 psi) für 10 Minuten warmgeformt, um die Lage teilweise zu verdichten.
- Die verdichteten Verbundlagen werden aufgelegt, um einen Verbundrotorvorformling zu bilden. Jede Lage wird um den Umfang des Rotors zweimal herumgewickelt und auf eine passende Länge zugeschnitten, um eine Schicht zu schaffen, die zwei Lagen dick ist, wobei die Faserverstärkung in jeder Lage parallel zu dem Umfang des Rotors orientiert ist (d.h. eine "0 º"-Legung). Bei Bedarf können Schichten von glasgetränktem SiC-Mull wahlweise zwischen den Verbundlagen vorgesehen werden, um eine axiale Verstärkung zu schaffen. Die innerste Lage enthält 15 Volumenprozent Monofilament, und die übrigen 24 Lagen werden der Reihe nach mit zunehmendem Volumenprozentsatz an Monofilamentfaser aufgelegt. Der Verbundrotorvorformling wird an Luft bei 500 ºC 2 Stunden lang erhitzt, um das organische Bindemittel zu zerlegen. Der Volumenbruchteil an Monofilamentfaser (VFMF), der Volumenbruchteil an Garnfaser (VFYF) und der Volumenbruchteil an Glasmatrix (VFM) sind für jede der 25 Verbundlagen in Tabelle I angegeben. Bei den aufgelisteten Volumenbruchteilen wird volle Verdichtung der Verbundlagen (d.h. keine Hohlräume) vorausgesetzt.
- Der Verbundvorformling wird bei 1250 ºC 30 Minuten lang mit 6,89 MPa (1000 psi) unter Argongas warmgepreßt, um den Verbundrotor zu verdichten. Der Verdichtungsdruck wird axial ausgeübt.
- Der Rotor hat einen inneren Durchmesser von etwa 30 cm (12 Zoll), einen äußeren Durchmesser von etwa 35,5 cm (14 Zoll) und eine Breite von etwa 2,54 cm (1 Zoll). Die physikalischen Eigenschaften des Rotors in einer bestimmten radialen Entfernung von dem Innenumfang des Rotors sind lokale physikalische Eigenschaften, die der lokalen Zusammensetzung entsprechen. Zum Beispiel, auf der Basis der in Tabelle I angegebenen Werte kann erwartet werden, daß der Modul des Rotors schrittweise von etwa 165 GPa am inneren Radius auf etwa 235 GPa am äußeren Radius zunimmt.
- Der Turbinenrotor nach der vorliegenden Erfindung weist einen ungleichförmigen Elastizitätsmodul auf, der mit zunehmendem radialen Abstand von dem Innenumfang des Turbinenrotors zunimmt und eine hohe Umfangsfestigkeit sowie eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen ergibt.
- Der ungleichförmige Modul des Turbinenrotors nach der vorliegenden Erfindung gestattet dem Ring, höhere Belastungen tragen zu können. Wenn ein dickwandiger Ring mit gleichförmigem inneren radialen Druck beaufschlagt wird, ist die Zugspannung an dem Ring an dem inneren Radius des Ringes am höchsten. Dadurch, daß dem lokalen Elastizitätsmodul des Rotors gestattet wird, mit zunehmendem Radius zuzunehmen, kann die Spannungskonzentration an dem Innenumfang reduziert werden, und der Rotor kann eine höhere Belastung aushalten. Die Ausführung mit ungleichförmigem Modul, um das Lasttragvermögen des Rotors zu erhöhen, könnte unter Verwendung von Graphitfasern realisiert werden. Da Graphitfasern in einem Bereich von verschiedenen Elastizitätsmoduln verfügbar sind, kann ein Glasmatrixverbundrotor, der einen ungleichförmigen Modul hat, durch herkömmliche Maßnahmen hergestellt werden, indem Graphitfasern mit unterschiedlichen Moduln benutzt werden. Es gibt jedoch zwei kritische Gesichtspunkte hinsichtlich der Verwendung einer Graphitverstärkung in einem Turbinenrotor. Die Oxidationsbeständigkeit von Graphitfasern ist schlecht, und ein mit Graphit verstärkter Glasmatrixturbinenrotor, der einen ungleichförmigen Modul hat, würde eine marginal ausreichende Umfangsfestigkeit aufweisen.
- SiC-Fasern weisen eine höhere Oxidationsbeständigkeit als Graphitfasern auf, und SiC-Monofilamentfasern haben üblicherweise eine viel höhere Zugfestigkeit als Graphitfasern und gestatten die Herstellung eines Turbinenrotors, der einen ungleichförmigen Elastizitätsmodul aufweist sowie eine hohe Umfangsfestigkeit und eine große Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen hat.
- Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf detaillierte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden, für den Fachmann ist jedoch klar, daß verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Detail im Rahmen des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung möglich sind.
Claims (3)
1. Turbinenrotor mit einer Glas- oder Glaskeramikmatrix,
die mit einer Siliciumcarbidgarnfaserverstärkung verstärkt
und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zusätzlich eine
Siliciumcarbidmonofilamentfaserverstärkung aufweist, wobei
der lokale Volumenbruchteil der
Siliciumcarbidmonofilamentfaserverstärkung mit zunehmendem radialen Abstand von dem
inneren Umfang des Turbinenrotors zunimmt, so daß der
Turbinenrotor hohe Umfangsfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit
bei erhöhter Temperatur und einen nichtgleichförmigen
Elastizitätsmodul aufweist, der mit zunehmendem radialen
Abstand von dem inneren Umfang des Turbinenrotors zunimmt.
2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasmatrix Borsilicatglas aufweist.
3. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Glaskeramikmatrix eine
Lithiumaluminosilicatglaskeramik ist.
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