DE102005002609A1

DE102005002609A1 - Verfahren zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln

Info

Publication number: DE102005002609A1
Application number: DE200510002609
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Seidel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-03
Also published as: EP1838493A1; WO2006076884A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln einer Gasturbine mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer zu reparierenden Turbinenlaufschaufel; b) Entfernen eines beschädigten Schaufelblattabschnitts von der Turbinenlaufschaufel unter Bildung eines Schaufelstumpfes; c) Herstellen eines Austauschabschnitts für den beschädigten sowie entfernten Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufel; d) Verbinden des Austauschabschnitts mit dem entsprechenden Schaufelstumpf.

Description

Eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk, umfasst neben einer Brennkammer mindestens einen Verdichter sowie mindestens eine Turbine. In den ersten Stufen einer Turbine kommen in der Regel innengekühlte Turbinenlaufschaufeln zum Einsatz, die als Hohlschaufeln ausgebildet sind. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass in den ersten Stufen der Turbine sehr hohe Temperaturen herrschen, wodurch eine Innenkühlung der Laufschaufeln erforderlich wird. Derartige innengekühlte Laufschaufeln verfügen über eine komplexe Innengeometrie. Neben Hohlschaufeln werden weniger temperaturbelastete Turbinenlaufschaufeln als Vollschaufeln ausgeführt.
Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinen, insbesondere von Flugtriebwerken, unterliegen während des Betriebs hohen Belastungen und somit einem Verschleiß, insbesondere durch Abrasion, Rissbildung, Oxidation, Verbrennungen oder auch Erosion und Korrosion. Durch den oben genannten Verschleiß ist es erforderlich, die Turbinenlaufschaufeln je nach Beschädigung zu reparieren.
Nach dem Stand der Technik wird zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln so vorgegangen, dass ein beschädigter Abschnitt der Turbinenlaufschaufeln entfernt und durch Auftragschweißen erneuert wird. Das Auftragschweißen von Turbinenlaufschaufeln mit komplexen Innengeometrien ist jedoch verfahrenstechnisch sehr anspruchsvoll, sodass sich viele Schadensbilder nicht reparieren lassen.
Des weiteren wird das Auftragschweißen dadurch erschwert, dass die Turbinenlaufschaufeln aus Superlegierungen und damit aus Werkstoffen hergestellt sind, bei welchen ein Wiederaufbau beschädigter Abschnitte durch Auftragschweißen ohnehin sehr problematisch ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Turbinenlaufschaufeln aus polykristallinen, einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoffen hergestellt sind.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer zu reparierenden Turbinenlaufschaufel; b) Entfernen eines beschädigten Schaufelblattabschnitts von der Turbinenlaufschaufel unter Bildung eines Schaufelstumpfes; c) Herstellen eines Austauschabschnitts für den beschädigten sowie entfernten Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufel; d) Verbinden des Austauschabschnitts mit dem entsprechenden Schaufelstumpf.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich, ohne hierauf beschränkt zu sein, aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln einer Gasturbine wird nachfolgend am Beispiel einer als Hohlschaufel ausgebildeten Turbinenlaufschaufel exemplarisch beschrieben. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Turbinenlaufschaufelsegmenten oder integral beschaufelten Rotoren zum Einsatz kommen kann. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu reparierenden Turbinenlaufschaufeln können als Hohlschaufeln oder als Vollschaufeln ausgeführt sein.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird so vorgegangen, dass von einer bereitgestellten, zu reparierenden Turbinenlaufschaufel ein beschädigter Schaufelblattabschnitt unter Bildung eines Schaufelstumpfes entfernt wird. Beim Entfernen bzw. Abtrennen des beschädigten Schaufelblattabschnitts der Hohlschaufel wird so vorgegangen, dass eine Trennebene und damit eine spätere Fügeebene in etwa parallel zu einer Drehachse eines Gasturbinenrotors und damit in etwa horizontal verläuft. Der beschädigte Schaufelblattabschnitt wird von der Hohlschaufel vorzugsweise derart abgetrennt, dass die Trennebene möglichst nahe zur Schaufelspitze der Hohlschaufel verläuft. Es ist auch möglicht, die Trennebene bis an die Schaufelplattform oder einen Schaufelfuß zu positionieren.

Anschließend wird ein Austauschabschnitt bzw. ein Ersatzteil für den beschädigten sowie entfernten Schaufelblattabschnitt der Hohlschaufel hergestellt. Dieser Austauschabschnitt verfügt exakt über die Geometrie des beschädigten, abgetrennten Schaufelblattabschnitts in ungeschädigter Form.

Die Herstellung des Austauschabschnitts erfolgt durch Feingießen oder durch pulvermetallurgisches Fertigen, insbesondere durch pulvermetallurgisches Spritzgießen. Es ist dabei möglich, den Austauschabschnitt aus dem gleichen Werkstoff herzustellen, wie der beschädigte und abgetrennte Schaufelblattabschnitt. Es ist jedoch auch möglich, den Austauschabschnitt aus einem anderen Werkstoff mit einem besseren Verschleißverhalten oder besseren Fügeeigenschaften herzustellen.

Anschließend wird der hergestellte Austauschabschnitt mit dem im Bereich des abgetrennten, beschädigten Schaufelblattabschnitt entstandenen Schaufelstumpf verbunden. Vor dem Verbinden werden die Fügeflächen von Schaufelstumpf und Austauschabschnitt durch Schleifen bearbeitet. Das Verbinden bzw. Fügen des Austauschabschnitts mit dem entsprechenden Schaufelstumpf erfolgt entweder durch Strahlschweißen oder durch Löten.

Wird der Austauschabschnitt mit dem entsprechenden Schaufelstumpf durch Strahlschweißen verbunden, so findet insbesondere Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen Verwendung. Durch den beim Laserstrahlschweißen sowie Elektronenstrahlschweißen realisierbaren kleinen Fokus ist ein exaktes Fügen des Schaufelstumpfs mit dem Austauschabschnitt möglich, so dass sowohl Innenkonturen als auch Außenkonturen vollständig verschweißt werden. Dies ist bei Hohlschaufeln von Bedeutung, da an den Innenkonturen der Hohlschaufeln nach dem Schweißen keine Nachbearbeitung möglich ist.

Alternativ kann die Verbindung des Austauschabschnitts mit dem Schaufelstumpf durch Löten erfolgen. Das Löten erfolgt unter Verwendung von möglichst wenig Lot, insbesondere unter Verwendung dünner Lötfolien bzw. sogenannter Löttapes, die an die Fügefläche geometrisch angepasst sind. So wird zum Löten eine entsprechend der jeweiligen Fügefläche geometrisch vorgeformte Lötfolie auf die Fügefläche aufgebracht und anschließend wird der Austauschabschnitt mit dem Schaufelstumpf in einem Lötprozess verbunden. Für einkristalline Werkstoffe oder für gerichtet erstarrte Werkstoffe ermöglicht dieses Verfahren bei langsamer Abkühlung von der Löttemperatur die Einstellung einer definierten einkristallinen oder gerichtet erstarrten Gefügestruktur innerhalb der Fügezone. Damit kann ein Festigkeitsabfall in der Fügezone an den jeweiligen Lotnähten vermieden werden.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Reparatur von Turbinenlauf schaufeln vorgeschlagen, welches sich speziell zum Reparieren von Turbinenlaufschaufeln eignet, die üblicherweise aus Superlegierungen hergestellt sind und als Hohlschaufeln ausgeführt sein können.

So eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln einer Hochdruckturbine sowie einer Niederdruckturbine. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das reparierbare Schadensspektrum an Turbinenlaufschaufeln deutlich erweitert, da nun auch komplexe Schadensbilder reparabel sind. Es können auch große Beschädigungen repariert werden, die mit bislang eingesetzten Methoden zum Riss- und Aufbauschweißen nicht repariert werden konnten.

Claims

Verfahren zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln einer Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer zu reparierenden Turbinenlaufschaufel; b) Entfernen eines beschädigten Schaufelblattabschnitts von der Turbinenlaufschaufel unter Bildung eines Schaufelstumpfes; c) Herstellen eines Austauschabschnitts für den beschädigten sowie entfernten Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufel; d) Verbinden des Austauschabschnitts mit dem entsprechenden Schaufelstumpf.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zu reparierende Turbinenlaufschaufel eine Hohlschaufel, insbesondere einer Hochdruckturbine, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zu reparierende Turbinenlaufschaufel eine Vollschaufel, insbesondere einer Hochdruckturbine, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der beschädigte Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufel derart von einem Rumpfbereich derselben abgetrennt wird, dass eine Trennebene in etwa parallel zu eine Drehachse eines Rotors verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der beschädigte Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufel derart von einem Rumpfbereich derselben abgetrennt wird, dass eine Trennebene in etwa horizontal verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der beschädigte Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufel derart von einem Rumpfbereich derselben abgetrennt wird, dass eine Trennebene möglichst nahe zur Schaufelspitze derselben verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austauschabschnitt durch Gießen, insbesondere durch Feingießen, hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austauschabschnitt durch pulvermetallurgisches Fertigen, insbesondere durch pulvermetallurgisches Spritzgießen, hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Austauschabschnitt mit dem entsprechenden Schaufelstumpf durch Strahlschweißen, insbesondere durch Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, verbunden wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Austauschabschnitt mit dem entsprechenden Schaufelstumpf durch Löten verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu im Bereich der Trennebene und damit Fügefläche eine an die Form der Fügefläche angepasste Lötfolie aufgebracht wird, und dass anschließend der Austauschabschnitt mit dem entsprechenden Schaufelstumpf verlötet wird.