DE69000854T2

DE69000854T2 - Leitschaufelzusammenbau fuer strahltriebwerk und verfahren zu dessen herstellung.

Info

Publication number: DE69000854T2
Application number: DE9090401321T
Authority: DE
Inventors: Jacques G Fouillot; Gerard Letanter
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1989-05-23
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2010-05-19
Also published as: ES2039116T3; FR2647502A1; EP0399879A1; CA2017263C; FR2647502B1; DE69000854D1; US5074749A; EP0399879B1; CA2017263A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufel für ein Turboluftstrahltriebwerk (TL-Triebwerk).
Bei einem TL-Triebwerk umfaßt die erste Leitschaufel oder das erste Leitrad, das direkt am Ausgang der Brennkammer angeordnet ist, eine Einheit aus festsitzenden Schaufeln, die nebeneinander angeordnete Durchgänge oder Kanäle bilden und die Ableitung der Verbrennungsgase zwischen der Brennkammer und dem Turbinenrotor lenken.
Ein TL-Triebwerk ist so aufgebaut, daß die vom Turbinenrotor gewonnene Energie über eine zentrale Welle, die das Leitrad durchquert, zum Kompressor geführt wird, der der Brennkammer vorgeschaltet ist. Das Leitrad muß somit mit seinem Umfang am Gehäuse des TL-Triebwerks befestigt sein.
Die bekannten Leiträder bestehen aus Metall oder Sinterkeramik, was ihre Leistung begrenzt.
Im Patent US-A-4 643 636 ist ein Keramikleitrad beschrieben.
Der Einsatz von feuerbeständigen Verbundwerkstoffen, insbesondere von Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen, soll zu besseren Leistungen führen, weil diese Werkstoffe sehr hohen Temperaturen standhalten, dabei jedoch ihr mechanisches Verhalten bewahren.
Leiträder aus Metall oder Sinterkeramik können durch Gießen hergestellt werden; dies gilt jedoch nicht für Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe.
Daher hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, ein Herstellungsverfahren vorzustellen, das besonders an die Herstellung eines Leitrads aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen angepaßt ist.
Dieses Ziel wird dank eines Verfahrens erreicht, das folgende Schritte umfaßt:
- es wird ein Kern bzw. eine Nabe hergestellt, die an ihrem äußeren Umfang Schaufeln aufweist, von denen jede mit einem Zapfen oder Finger versehen ist, der radial an ihrem äußeren Ende heraussteht,
- es werden zwei Zahnringe hergestellt, die axial ausgerichtete Zähne aufweisen, wobei sich die Zahnungen der beiden Ringe über einen Umfang gleichen Durchmessers erstrecken, der etwas größer als der Durchmesser der Schaufelnabe ist, ohne Zapfen gerechnet,
- beide Zahnringe werden einander angenähert, wobei ihre Zahnungen einander diesseits und jenseits der Schaufelnabe gegenüberliegen, um jeden Zapfen einer Schaufel axial wie im Umfang zwischen einer Seite eines Zahns eines Rings und einer Seite eines Zahns des anderen Rings festzuklemmen, und
- die Zahnringe in Axialrichtung gegeneinandergedrückt gehalten werden.
Jeder der einen Zapfen blockierenden Zähne weist eine erste Seite auf, die an eine entsprechende Fläche des Zapfens anliegt, sowie eine zweite Seite, die an eine zweite entsprechende Fläche eines Zahns des anderen Rings anliegt.
Die zweiten Seiten der Zähne bilden bezüglich der Axialrichtung schräge Rampen. Auf diese Weise äußert sich im Fall einer wärmebedingten Ausdehnung der Schaufelnabe, die größer ist als die der Zahnringe, die Ausdehnung der Zapfen, die die Neigung haben, die Zähne, zwischen denen sie sitzen, auseinanderzudrücken, dank der von den zweiten Seiten der Zähne gebildeten Rampen, in einer gegenseitigen Drehung der Ringe und einer gegenseitigen Entfernung derselben in Axialrichtung. Die in Axialrichtung gegeneinandergedrückt gehaltenen Ringe werden folglich am besten mit Hilfe elastischer Vorrichtungen in dieser Stellung gehalten, die ggfs. ein solches gegenseitiges Auseinanderrücken zulassen, wobei sie aber die Zahnringe ständig weiterhin gegeneinanderdrücken. Die Befestigung des Leitrads am Gehäuse des TL-Triebwerks erfolgt über eine mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse und einem der beiden Ringe, so daß zwischen den beiden Ringen durch die Wirkung der Ausdehnung der Schaufelzapfen eine gegenseitige Drehbewegung möglich ist.
In Radialrichtung blockieren die Zahnringe die Zapfen nicht, so daß die Ausdehnung in dieser Richtung frei bleibt. Der Zwischenraum zwischen den Zahnringen kann radial durch ein ringförmiges Teil geschlossen werden, das zu den Enden der Zapfen ein Spiel läßt.
Die Erfindung hat außerdem ein Leitrad aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff für ein TL-Triebwerk zum Gegenstand, vom Typ dessen, das mit dem oben beschriebenen Verfahren erhalten wird.
Die Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die beispielhaft, jedoch nicht erschöpfend gegeben ist und sich auf folgende Abbildungen bezieht:
- Fig. 1 ist eine schematische Ansicht von vorne eines Leitrads aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff, der erfindungskonform hergestellt wurde,
- Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Durchmesserebene II-II von Fig. 1,
- Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht, die die Konfiguration des Leitrads der Fig. 1 zeigt,
- Fig. 4 ist eine Teilansicht in der Ebene, die die Blockierung eines Zapfens einer Schaufel zwischen zwei Zähnen der Zahnringe des Leitrads der Fig. 1 zeigt,
- Fig. 5 ist eine zur vorangegehenden Fig. 4 analoge Ansicht, die die Bewegung der Zahnringe zueinander aufgrund einer Ausdehnung des Zapfens zeigt, und
- Fig. 6 ist eine Teilansicht im Axialschnitt des Leitrads der Fig. 1, die die Montage des Leitrads in das Gehäuse eines TL-Triebwerks zeigt.
Wie dies insbesondere Fig. 1 bis 3 zeigen, wird ein Leitrad aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung durch den Zusammenbau einer Schaufelnabe 10, zweier Zahnringe 20, 30 und eines Rings 40 hergestellt, der zwischen die beiden Ringe gesetzt wird.
Die Schaufelnabe 10 ist aus einem Stück aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff und weist mehrere Schaufeln 12 auf, die gleichmäßig um einen Zentralbereich 13 verteilt sind, der die Nabe bildet. Die Schaufeln 12 bilden zwischeneinander Durchgänge oder Kanäle 11, die die Gasableitung zwischen Brennkammer und Turbinenrotor des TL-Triebwerks lenken sollen. Ein Zapfen oder Finger 14 ragt radial auf der Außenendfläche 12a jeder Schaufel in der Mitte dieser Fläche heraus.
Jeder der Zahnringe 20, 30 ist aus einem Stück aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff. Die Ringe 20, 30 tragen Zähne, nämlich 21, 31, die in Axialrichtung ausgerichtet sind und einander gegenüberliegen. Die Zahnungen der Ringe 20, 30 sind gleich und entlang einem gleichen Durchmesser angeordnet, der etwas größer als der Außendurchmesser der Schaufelnabe 10 ist, Zapfen nicht eingerechnet. Auf diese Weise können die Ringe 20 und 30 einander von den entgegengesetzten Seiten der Schaufelnabe aus angenähert werden, indem sie außerhalb der Abschluß flächen 15 der Schaufeln 12 passieren und zu diesen Radialspiel lassen. Die Anzahl und Anordnung der Zähne 21, 31 sind so gewählt, daß jeder Zapfen 14 einer Schaufel axial und im Umfang zwischen einer Seite 22 eines Zahns 21 und einer Seite 32 eines Zahns 31 blockiert wird, wenn die beiden Ringe 20, 30 aneinandergedrückt werden. Im dargestellten Beispiel sind die Zähne gleichmäßig entlang der Ringe 20, 30 verteilt und weisen die gleiche Anzahl auf, wie Schaufeln 12 da sind; außerdem sind die Stärke der Zähne 21, 31 und die Höhe der Zapfen 14 so gewählt, daß die Zapfen radial nicht über die äußeren zylindrischen Flächen 24, 34 der Zahnungen der Ringe 20, 30 hinausstehen.
Der Ring 40 ist aus einem einzigen Stück aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff. Er ist zwischen den Ringen 20, 30 außerhalb der Zähne 21, 31 angeordnet, um den Zwischenraum zwischen den Ringen 20, 30 radial zu schließen. Der Innendurchmesser des Rings 40 ist so gewählt, daß er ein Radialspiel zumindest zu den Abschlußflächen der Zapfen 14 läßt, eventuell auch zu den Flächen 24, 34. In Axialrichtung befindet sich der Ring 40 zwischen zwei ringförmigen Außenleisten 25, 35 der Ringe 20, 30.
Der Keramikmatrix-Verbundwerkstoff, aus dem die Teile 10, 20, 30, 40 sind, ist ein Material, das aus einer faserigen Verstärkung aus hitzebeständigen Fasern, z.B. Fasern aus Kohlenstoff oder Keramik wie beispielsweise Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid sowie einer Keramikmatrix besteht, beispielsweise ebenfalls Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid.
Jedes der Teile 10, 20, 30, 40 kann erhalten werden, indem man zunächst eine zylindrische Vorform herstellt, beispielsweise durch Spulen (frz.: bobinage) einer faserigen Struktur wie z.B. eines Stoffs, die die faserige Verstärkung darstellt, und diese anschließend durch Infiltration des Keramikwerkstoffs, aus dem die Matrix besteht, verdichtet. Die Verdichtung kann durch chemische Infiltration in Dampfphase erfolgen, eventuell nach Absetzen eines Phasengrenzflächenmaterials zwischen den Verstärkerfasern und der Matrix. Herstellungsverfahren für Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe sind bekannt, so daß eine genauere Beschreibung nicht erforderlich ist.
Man kann sich insbesondere auf das europäische Patent EP 0 172 082 beziehen. Nach der Verdichtung ist jedes Stück auf seine endgültige Form bearbeitet und kann insbesondere die Schaufeln der Schaufelnabe 10 und die Zahnungen der Ringe 20, 30 bilden.
Wie dies spezieller Fig. 4 und 5 zeigen, hat jeder Zapfen 14 zwei entgegengesetzte Seiten 15, 16, die an die Seiten 22, 32 der beiden Zähne 21, 31 anliegen, zwischen denen der Zapfen eingeklemmt ist. Die Zahnungen der Zähne 20, 30 sind durch die anderen Seiten 23, 33 der Zähne 21, 31 in gegenseitigem Kontakt.
Die Seiten 22, 32, zwischen denen die Zapfen 14 blockiert sind, sind in einem Winkel , der bezüglich der Axialrichtung nicht Null beträgt, abgeschrägt, so daß jeder Zapfen gleichzeitig axial und in seinem Umfang blockiert ist. Es ist wünschenswert, daß die Zapfen 14 an den Seiten 22, 32 auf der größtmöglichen Fläche anliegen. In der Praxis können die Zapfen 14 so ausgeführt sein, daß ihre größte Seite in etwa wie die Seiten der Schaufeln 12 ausgerichtet ist, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht, auf der eine Schaufel gestrichelt dargestellt ist. Der Wert des Winkels ist folglich praktisch durch die Anordnung der Schaufeln 12 vorgegeben. Dieser Wert liegt zwischen 0 und 30º , er beträgt beispielsweise 15º.
Wenn während des Betriebs des Leitrads zwischen den Zapfen 14 und den Zähnen 21, 31 aufgrund einer stärkeren Erhitzung der Schaufeln 12 gegenüber den Ringen 20, 30 eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Zapfen 14 und den Zähnen 21, 31 stattfindet, neigt jeder Zapfen 14 durch die stärkere Ausdehnung dazu, die Zähne 21, 31, zwischen denen er eingeklemmt ist, auseinanderzudrücken. Die Seiten 23, 33 der Zähne, die aneinander anliegen, bilden schräge Rampen des Winkels zur Axialrichtung, so daß die Ausdehnung der Zapfen sich in einer relativen Drehung äußert, bei der sich die Ringe 20, 30 voneinander entfernen, wie dies in vergrößertem Maßstab auf Fig. 5 dargestellt ist. Der Neigungswinkel der Seiten 23, 33 ist so gewählt, daß er ein solches gegenseitiges Gleiten begünstigt. Er liegt vorzugsweise zwischen 30 und 60º und ist beispielsweise gleich 45º.
In Radialrichtung läßt das Spiel zwischen den Zapfen 14 und dem Ring 40 die Ausdehnung der Zapfen ungehindert zu.
Die Montage des Leitrads in das Gehäuse des TL-Triebwerks muß so erfolgen, daß der Leitrad zum Gehäuse fest verankert wird, wobei allerdings eine geringfügige verhältnismäßige Bewegungsfreiheit sowohl in Drehung als auch in Axialrichtung zwischen den Ringen 20 und 30 möglich bleiben muß.
Hierzu werden die Ringe 20 und 30, wie auf Fig. 6 zu sehen, in aneinanderliegender Position mit Hilfe eines Flansches 42 gehalten, der die Ringe 20, 30 festhält, wobei ein zumindest in axialer Richtung elastisch verformbarer Ring 41 dazwischengesetzt wird und immer noch eine geringe Schubbewegung möglich bleibt. Der Ring 41 besteht günstigstenfalls aus einer Graphitdichtung mit radial orientierten Lamellen. Die Ringe 20, 30 werden dadurch permanent in Axialrichtung auf elastische Weise zueinander gezogen.
Die mechanische Verbindung des Leitrads mit dem Gehäuse des TL-Triebwerk erfolgt mit Hilfe von Metallstücken, die fest mit dem Gehäuse verbunden sind und in Aussparungen 36 eindringen, die am Umfang des Rings 30 in gleicher Entfernung voneinander angeordnet sind (Fig. 1, 2 und 6). Es können beispielsweise vier Aussparungen 36 sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Leitschaufel aus Verbundwerkstoff mit einer Keramikmatrize, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Phasen aufweist, während derer:

- ein Kern hergestellt wird, der an seinem äußeren Umfang Schaufeln aufweist (12), wobei jede Schaufel mit einem Zapfen (14) oder Finger versehen ist, der radial an ihrem äußeren Ende heraussteht,

- zwei Zahnringe (20, 30) hergestellt werden, die axial ausgerichtete Zähne (21, 31) aufweisen, wobei sich die Zahnungen der beiden Ringe um einen Umfang gleichen Durchmessers erstrecken, der geringfügig über dem Durchmesser des Leitschaufelkerns ohne Zapfen liegt,

- beide Zahnringe (20, 30) einander angenähert werden, wobei ihre Zahnungen diesseits und jenseits des Leitschaufelkerns (10) ineinanderfassen, um jeden Zapfen (14) einer Schaufel (12) sowohl axial als auch in seinem Umfang zwischen einer Seite (22) eines Zahns (21) eines Rings (20) und einer Seite (32) eines Zahns (31) des anderen Rings (30) festzuklemmen,

- die Zahnringe (20, 30) in Axialrichtung gegeneinandergedrückt gehalten werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnringe (20, 30) so ausgeführt und gegeneinander gedrückt werden, daß jeder Zahn (21, 31) eines Rings (20, 30) einen Zapfen (14) an einer ersten Seite (22, 32), die Kontakt mit einer Fläche (15, 16) des Zapfens hat, sowie an einer zweiten Seite (23, 33), die Kontakt mit einer zweiten entsprechenden Seite (33, 23) eines Zahns des anderen Rings (30, 20) hat, festklemmt, wobei die zweiten Zahnseiten zur Achse hin geneigte Flächen bilden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (20, 30) in gegeneinandergedrückter Position so gehalten werden, daß zwischen den Ringen eine relative Dreh- und Axialbewegung möglich ist.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (40) zwischen die beiden Zahnringe (20, 30) außerhalb der Zähne (21, 31) gesetzt wird, um den Zwischenraum zwischen den Zahnringen (20, 30) radial zu schließen, wobei zwischen diesem und den Enden der Zapfen (14) der Schaufeln (12) ein Spiel besteht.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der vom Schaufelkern (10) und den Zahnringen (20, 30) gebildete Element aus Verbundwerkstoff aus einem Stück mit einer Keramikmatrize gefertigt wird.

6. Leitschaufel für ein Turboluftstrahl- bzw. TL- Triebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Verbundwerkstoff mit Keramikmatrize hergestellt wird und folgende Teile umfaßt:

- einen Kern mit Schaufeln (12) an seinem äußeren Umfang, wobei jede Schaufel mit einem Zapfen (14) oder Finger versehen ist, der radial an ihrem äußeren Ende heraussteht,

- zwei Zahnringe (20, 30), die axial ausgerichtete Zähne (21, 31) aufweisen, wobei sich die Zahnungen der beiden Ringe gegenüberliegen und um einen Umfang gleichen Durchmessers erstrecken, der geringfügig über dem Durchmesser des Leitschaufelkerns ohne Zapfen liegt, und die Zahnringe werden in Achsrichtung und vom Umfang her zwischen einer Seite (22) eines Zahns (21) eines Rings (20) und einer Seite (32) eines Zahns (31) des anderen Rings (30) gegeneinandergedrückt.

7. Leitschaufel gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn (21, 31) eines Zahnrings (20, 30) einen Zapfen (14) an einer ersten Seite (22, 32) gegen eine entsprechende Seite (15, 16) des Zapfens (14) und eine zweite Seite (23, 33) gegen eine zweite entsprechende Seite (33, 23) eines Zahns (31, 21) des anderen Zahnrings (30, 20) festklemmt.

8. Leitschaufel gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Seiten (23, 33) der Zähne (21, 31) zur Achsrichtung geneigte Flächen bilden.

9. Leitschaufel gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnringe (20, 30) durch elastische Vorrichtungen (41) gegeneinandergedrückt gehalten werden.

10. Leitschaufel gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Ring (40) aufweist, der zwischen den Zahnringen (20, 30) außerhalb der Zähne vorgesehen wird, wobei zwischen dem besagten Ring (40) und den Enden der Zapfen (14) Spiel besteht.

11. Leitschaufel gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der beiden Zahnringe Vorrichtungen (36) zur Herstellung einer mechanischen Verbindung mit einem Gehäuse des TL-Triebwerks vorgesehen sind.