Verfahren zum Instandsetzen von im Bereich der Eintrittskanten schadhaften Wasserturbinenschaufeln Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Ver fahren zum Instandsetzen von im Bereich der Ein trittskanten schadhaften Wasserturbinenschaufeln. Insbesondere handelt es sich hier um die Reparatur von Peltonschaufeln.
Bei Wasserturbinenschaufeln, insbesondere Pel- tonschaufeln, zeigen sich nach einiger Zeit ausser der üblichen Abnützung durch Verschleiss und Korro sion vielfach Risse. Es handelt sich dabei um Er müdungsrisse, die von schwachen, hochbeanspruch ten und oft von der Kavitation geschwächten Stellen an den Eintrittskanten ausgehen, die den Wasser strahl schneiden, sobald die Schaufel mit dem Was serstrahl in Eingriff kommt. Bei den Peltonschaufeln begrenzen die Eintrittskanten die bogenförmigen Becherausnehmungen. Derartige Risse können mit der Zeit zum Bruch der Schaufeln und zur Zerstörung der Turbine führen.
Zwecks Reparatur solcher Risse wurden die Riss- ränder bisher abgeschrägt und das Rissende häufig noch ausgebohrt, worauf man dann bei engen Spal ten in Horizontalstellung und bei breiten Spalten in Vertikalstellung die Schweissung ausführte. Meistens musste man zu einem Schweissverfahren greifen, bei dem der zu reparierende Schaufelteil vertikal gerich tet war, um das Abfliessen des flüssigen Schweiss- metalles zu verhindern. Diese Arbeitsmethode ist zeitraubend und verlangt in den meisten Fällen eine Demontage des Turbinenlaufrades.
Ausserdem ist die Reparatur unzuverlässig, selbst wenn sie durch einen sehr geschickten Schweisser ausgeführt wird, da man mit sehr niedrigen Strömen arbeitet und den Lichtbogen häufig unterbricht, damit nur wenig Schweissgut gleichzeitig flüssig ist. Würde man einen gleich grossen Herd flüssigen Metalles bilden, wie es bei der horizontalen Schweissung üblich ist, dann könnte der grösste Teil des Schweissgutes wieder ab- fliessen und das verbleibende Metall würde stark oxydieren.
Die Vertikalschweissung ist wegen des stärkeren Luftzutrittes und der häufigen Lichtbogen unterbrechung qualitativ schlechter als die Horizon- talschweissung. - Es ist daher auch nicht verwunder lich, dass die nach dem bisherigen Verfahren repa rierten Turbinenschaufeln häufig nach kurzer Be triebszeit wieder versagten.
Es ist nun das Ziel der Erfindung, diese Nach teile zu vermeiden. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die schadhafte Stelle unter Bildung eines Ausschnittes entfernt wird, dass man unter dem Schaufelausschnitt eine mit dem heis- sen Schweissgut nicht verschmelzende Unterlage an bringt,
deren der Schaufel zugekehrte Fläche der ge wünschten Form der Unterseite der Schweisstelle an- gepasst ist und dass man daraufhin bei wenigstens angenähert horizontaler Lage der der Schaufel zu gekehrten Fläche der genannten Unterlage durch Elektroschweissung den Schaufelausschnitt mittels Schweissgut mindestens zum Teil ausfüllt, und zwar unter Verwendung von Elektroden, die es gestatten, wenigstens zwei Lagen ohne Entfernung der Schlacke fehlerlos aufeinander zu schweissen.
Beim Herausschneiden der schadhaften Stelle der Schaufel ist mit Vorteil der ganz hochbeanspruchte Teil zu entfernen, weil in diesem vielfach schon An sätze von Rissen und ermüdetem Material vorhanden sind. Im Falle von Peltonturbinen ist der dünne Schaufelteil im Bereiche der Eintrittskanten hochbean sprucht, und zwar bis zu einer Dicke von ca. 50'10 der Wanddicke des Bechers in der Mitte.
Mit Vor zug wird unter dem Schaufelausschnitt eine Unter- lage aus Kupfer angebracht oder auch aus einem an deren Metall, das sich mit dem heissen Schweissgut nicht verschmelzt. Unter Umständen wird man als Unterlage auch Formen aus Lehm oder einem an deren feuerfesten Material verwenden.
Zweckmäs- sigerweise soll der Abstand zwischen der der Schaufel zugekehrten Fläche dieser Unterlage und der ge wünschten Form der der Unterlage zugekehrten Schaufelfläche wenigstens 0,5 mm betragen, was beim Schweissen eine kleine Bearbeitungszugabe ergibt, so dass die reparierte Stelle nach dem Abschleifen die richtige Wandstärke annimmt. Die Schweissunter- lage, deren der Schaufel zugekehrte Fläche der ge wünschten Form der Unterseite der Schweisstelle an zupassen ist, kann man beispielsweise an der Innen seite der Schaufel befestigen.
Daraufhin wird der Schaufelausschnitt mittels Schweissgut in der ge wünschten Dicke ausgefüllt, und zwar durch Elektro- schweissung. Zu diesem Zwecke sind Elektroden zu verwenden, die es gestatten, wenigstens zwei Lagen ohne Entfernung der Schlacke fehlerlos aufeinander zu schweissen. Die der" Schaufel zugekehrte Fläche der Unterlage ist während der Schweissung wenig stens angenähert horizontal, so dass der Schaufel ausschnitt leicht zugänglich ist und das Schweissgut nicht abfliesst. Man kann dann in einem Zug oder mit kurzen Unterbrechungen die ganze ausgeschnit tene Stelle auffüllen.
In dieser Weise ist die der Schweisstelle zugeführte Wärmemenge so gross, dass sich die ganze Schaufel in kurzer Zeit erwärmt und damit ein Vorwärmen der Schaufel vor Beginn des Schweissvorganges entfallen kann. Der Schweisser hat lediglich bei Beginn der Arbeit die Elektroden so zu führen, dass das Werkstück sich zunächst an der Stelle, wo man mit dem Schweissen beginnt, ge nügend erwärmt. Dies erreicht man, indem man zu erst während 5-10 Sekunden den Lichtbogen lokali siert. Höchstens bei Schaufeln, die stark zur Ruf härtung neigen, kann es günstig sein, vor Beginn der Arbeit eine Vorwärmung in bekannter Weise vorzu nehmen.
Das beschriebene Verfahren hat ausser der selbsttätigen Vorwärmung der Schaufel noch den Vorteil, dass sich die Schaufel während der Bearbei tung nicht verzieht. Das Rufweiten der Schaufel vor der Arbeit mittels Keilen oder dergleichen ist damit überflüssig. Diese erstaunliche Tatsache ist darauf zurückzuführen, dass die aufgeschweisste Stelle we gen der hohen Arbeitsgeschwindigkeit während der ganzen Schweissphase heiss bleibt, so dass sie wäh rend dieser Zeit keine Schrumpfkraft auf die Schau fel ausübt.
Zudem wird die Schaufel selbst durch die zugeführte Wärme gleichmässig erhitzt ; sie weitet sich demzufolge während des Schweissvorganges von selbst auf und zieht sich beim Erkalten gleichzeitig mit dem Schweissgut zusammen. Schrumpfspannun gen an den Schaufelkanten, die das Entstehen neuer Ermüdungsrisse fördern könnten, verschwinden auto matisch. Man kann daher auch auf ein Nachglühen der Schaufeln verzichten. In der Praxis durchge führte Versuche haben bewiesen, dass die Ermü- dungsfestigkeit einer derartig geschweissten Stelle grösser ist als diejenige des gegossenen Schaufel materials.
Das beschriebene Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, dass man oft ohne Mehrarbeit die Form un geeigneter Schaufeln während der Reparatur so ver ändern kann, dass die gefürchtete Kavitation auf der Rückseite der Schaufel vermieden wird. Es ist hierbei der Fläche der Rückseite der Schaufel durch Auf- tragsschweissung eine den neueren Erkenntnissen entsprechende Form zu geben. Dieses zusätzliche Auftragsschweissen kommt besonders bei älteren Turbinentypen in Frage.
Zweckmässig wird zwecks Erhöhung der Ab nutzungsfestigkeit der Eintrittskante letztere über dem Bereich, wo die Schaufel instandzustellen ist, durch einen Streifen aus nicht rostendem Schweissgut er setzt. Meist kann der genannte Streifen nachträg lich durch Auftragsschweissung mit speziellen Elek troden erzeugt werden. Wenn die Turbine mit sand- haltigem Wasser beaufschlagt wird, soll der zur Schweissung verwendete Stahl besonders hart sein.
Es ist überhaupt günstig, bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung als Schweissgut einen Stahl mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 90 kg/mm2 zu verwenden. Dabei sollen die ange- schweissten Ränder aus nicht rostendem Stahl an der Verbindungsstelle mindestens doppelt so dick sein wie die Schaufel in 5 mm Abstand von der Eintrittskante. Mit Vorteil sind die angeschweissten Streifen wenigstens 20 mm breit.
Es hat sich als günstig erwiesen, den Schnittrand vor dem Schweissen durch Hämmern oder derglei chen aufzustauchen. Dank dem dadurch übererhöh ten Schnittrand werden beim nachträglichen Schleifen der Schweisstelle eventuelle Einbrandkerben automa tisch entfernt.
Wie bereits eingangs erwähnt, eignet sich das Verfahren nach der Erfindung vor allem für die In standsetzung von Peltonschaufeln. Diese bestehen bekanntlich aus einem Doppelbecher, der durch einen Mittelgrat in zwei Teile getrennt ist und der einen der Form des Wasserstrahles angepasste Aus- nehmung besitzt. Es hat sich nun gezeigt, dass an den wasserstrahlschneidenden scharfen Eintrittskan ten die meisten Beschädigungen auftreten. Ferner ist der scharfe Mittelgrat stark der Abnutzung unter worfen. Die im Laufe des Betriebes auftretenden Risse beginnen meist an der scharfen Eintrittskante, und zwar in der Nähe der Mitte zwischen dem Aus senrand der Ausnehmung und dem Mittelgrat.
Die Eintrittskanten sind bis zum Mittelgrat scharf. Dieser läuft spitz aus und verdickt sich nach hinten in einem Winkel von etwa 60o. In einem Abstand von 30 mm von der Spitze gerechnet, ist er also bereits ungefähr 30 mm dick. Wenn nur der eine Becher der Schaufel gerissen ist, führt man den Schnitt mit Vor zug bis auf mindestens 30 mm oder sogar bis auf 20 mm an den Mittelgrat heran, weil an dieser Stelle die Biegungsbeanspruchung des Materials dank der grossen Materialstärke nur gering ist. Der Rand der Schweissung ist daher nicht gefährdet, obschon er scharfkantig zugeschliffen wird.
Falls beide Becher einer Peltonschaufel reparaturbedürftig sind, emp fiehlt es sich, den Schnitt vom Rand der Ausneh- mung des einen Bechers bis zum Rand der Ausneh- mung des anderen Bechers zu führen und auch die Spitze des Grates abzuschneiden. Die Verbindungs stelle der Schweissung mit der Schaufel ist dann an keiner Stelle scharf zuzuschneiden. Das gleiche Ver fahren eignet sich auch bei der Instandsetzung von Turbinenschaufeln, die infolge von Gussfehlern oder Bearbeitungsfehlern defekt sind.
Method for repairing water turbine blades damaged in the area of the leading edges The present invention relates to a method for repairing water turbine blades damaged in the area of the leading edges. In particular, it concerns the repair of Pelton buckets.
In the case of water turbine blades, in particular Pelton blades, cracks appear after some time, in addition to the usual wear and tear due to wear and corrosion. These are fatigue cracks that originate from weak, highly stressed areas on the leading edges that are often weakened by cavitation and that cut the water jet as soon as the shovel comes into contact with the water jet. In the case of the Pelton buckets, the leading edges delimit the curved cup recesses. Over time, such cracks can break the blades and destroy the turbine.
To repair such cracks, the crack edges have hitherto been beveled and the end of the crack was often drilled out, whereupon the welding was carried out in the horizontal position for narrow gaps and in the vertical position for wide gaps. Mostly you had to resort to a welding process in which the blade part to be repaired was oriented vertically in order to prevent the liquid weld metal from flowing away. This working method is time consuming and in most cases requires dismantling of the turbine runner.
In addition, the repair is unreliable, even if it is carried out by a very skilled welder, since you work with very low currents and frequently interrupt the arc so that only a small amount of weld metal is liquid at the same time. If one were to form a hearth of liquid metal of the same size, as is usual with horizontal welding, then most of the material to be welded could flow off again and the remaining metal would be strongly oxidized.
The vertical welding is qualitatively inferior to the horizontal welding because of the stronger air inflow and the frequent arc interruption. It is therefore not surprising that the turbine blades repaired using the previous process often failed again after a short period of operation.
It is now the aim of the invention to avoid these parts after. The method according to the invention is characterized in that the damaged area is removed with the formation of a cutout, that a base is placed under the blade cutout that does not fuse with the hot weld metal,
whose surface facing the blade is adapted to the desired shape of the underside of the welding point and that the blade section is then at least partially filled by means of welding material, using welding material, with the surface of the base facing the blade in an at least approximately horizontal position of electrodes that allow at least two layers to be flawlessly welded to one another without removing the slag.
When cutting out the damaged area of the shovel, it is advantageous to remove the very highly stressed part, because in this area there are often already cracks and tired material. In the case of Pelton turbines, the thin blade part is highly stressed in the area of the leading edges, up to a thickness of about 50'10 of the wall thickness of the cup in the middle.
Preferably, a base made of copper is attached under the blade cutout or made of another metal that does not fuse with the hot weld metal. Under certain circumstances, molds made of clay or another refractory material will also be used as a base.
Expediently, the distance between the surface of this base facing the blade and the desired shape of the blade surface facing the base should be at least 0.5 mm, which results in a small machining allowance during welding, so that the repaired point has the correct wall thickness after grinding accepts. The welding pad, the surface of which facing the blade is to be adapted to the desired shape of the underside of the welding point, can for example be attached to the inside of the blade.
The blade section is then filled with weld metal in the desired thickness, namely by electric welding. For this purpose, electrodes are to be used which allow at least two layers to be flawlessly welded to one another without removing the slag. The surface of the base facing the shovel is at least approximately horizontal during welding, so that the shovel cutout is easily accessible and the weld metal does not flow away. The entire cut-out area can then be filled in one go or with short interruptions.
In this way, the amount of heat supplied to the welding point is so great that the entire blade is heated up in a short time and thus there is no need to preheat the blade before the start of the welding process. The welder only has to guide the electrodes at the beginning of the work in such a way that the workpiece initially warms up sufficiently at the point where welding begins. This is achieved by localizing the arc for only 5-10 seconds. At most for blades that have a strong tendency to harden reputation, it can be beneficial to preheat them in a known manner before starting work.
In addition to the automatic preheating of the shovel, the method described has the advantage that the shovel does not warp during processing. The shovel has to be scanned before work by means of wedges or the like. This astonishing fact is due to the fact that the welded area remains hot during the entire welding phase due to the high working speed, so that it does not exert any shrinkage force on the blade during this time.
In addition, the shovel itself is heated evenly by the heat supplied; it therefore expands by itself during the welding process and contracts at the same time as the material to be welded when it cools down. Shrinkage stresses on the blade edges, which could promote the formation of new fatigue cracks, automatically disappear. It is therefore also possible to dispense with afterglowing the blades. Tests carried out in practice have shown that the fatigue strength of such a welded point is greater than that of the cast blade material.
The method described has the additional advantage that the shape of unsuitable blades can often be changed during the repair without additional work in such a way that the dreaded cavitation on the back of the blade is avoided. In this case, the surface of the rear side of the blade is to be given a shape corresponding to the more recent findings by means of overlay welding. This additional build-up welding is particularly suitable for older turbine types.
It is useful to increase the wear resistance of the leading edge over the area where the shovel is to be repaired by a strip of rustproof weld metal. Most of the time, the said strip can be created subsequently by build-up welding with special electrodes. If the turbine is exposed to water containing sand, the steel used for welding should be particularly hard.
It is generally beneficial to use a steel with a tensile strength of at least 90 kg / mm 2 as the weld metal when carrying out the method according to the invention. The welded stainless steel edges at the connection point should be at least twice as thick as the blade at a distance of 5 mm from the leading edge. The welded-on strips are advantageously at least 20 mm wide.
It has proven to be beneficial to flatten the cut edge by hammering or the like before welding. Thanks to the increased cut edge, any undercuts are automatically removed when the welding point is subsequently ground.
As already mentioned at the beginning, the method according to the invention is particularly suitable for repairing Pelton buckets. As is known, these consist of a double cup which is separated into two parts by a central ridge and which has a recess adapted to the shape of the water jet. It has now been shown that most damage occurs on the water jet cutting sharp inlet edges. Furthermore, the sharp central ridge is highly subject to wear. The cracks that occur in the course of operation usually begin at the sharp leading edge, in the vicinity of the middle between the outer edge of the recess and the central ridge.
The leading edges are sharp up to the central ridge. This tapers to a point and thickens towards the rear at an angle of about 60o. At a distance of 30 mm from the tip, it is already about 30 mm thick. If only one cup of the shovel is torn, the cut is preferably made up to at least 30 mm or even up to 20 mm of the central ridge, because at this point the bending stress on the material is low thanks to the great material thickness. The edge of the weld is therefore not at risk, although it is ground to a sharp edge.
If both cups of a Pelton shovel are in need of repair, it is recommended to make the cut from the edge of the recess of one cup to the edge of the recess of the other cup and also to cut off the tip of the burr. The connection point between the weld and the blade then does not have to be cut sharply at any point. The same process is also suitable for repairing turbine blades that are defective as a result of casting defects or machining errors.