DE102005055984A1

DE102005055984A1 - Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102005055984A1
Application number: DE102005055984A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-05-31
Also published as: CA2629911A1; EP1951990A1; JP2009517576A; US20090031564A1; WO2007059731A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Mantelringsegments; b) Abtragen eines beschädigten, radial innenliegenden Abschnitts des Mantelringsegments, derart, dass das Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius aufweist; c) Herstellen eines Ersatzabschnitts für das Mantelringsegment, wobei der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius des Mantelringsegments angepassten Außenradius aufweist; d) Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment; e) Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei hierzu zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Rändern im Vakuum gasdicht miteinander verschweißt werden und wobei anschließend der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander diffusionsverbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren und Reparaturverfahren eine entscheidende Rolle.
Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Flugtriebwerken die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters bzw. einer Hochdruckturbine. Bei Hochdruckverdichtern und Hochdruckturbinen treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturgradienten auf, was die Spalthaltung erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln und Hochdruckturbinenlaufschaufeln in der Regel auf Deckbänder, wie sie bei Niederdruckturbinen verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfügen die Laufschaufeln im Verdichter und die Hochdruckturbinenlaufschaufeln über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Schaufelspitzen wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Schaufelspitzen durch die Schaufelspitzen Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen.
Zur Minimierung des Verschleißes an den Schaufelspitzen beim Anstreifen derselben in das feststehende Gehäuse ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, dem Gehäuse sogenannte Einlaufbeläge zuzuordnen, in welche die Schaufelspitzen der Laufschaufeln einlaufen können. Derartige Einlaufbeläge sind üblicherweise sogenannten Mantelringsegmenten des Gehäuses zugeordnet, nämlich radial innenliegenden, den Schaufelspitzen zugewandten Abschnitten der Mantelringsegmente. Gehäuseseitige Mantelringsegmente, die als Träger für Einlaufbeläge dienen, werden auch als Shrouds bezeichnet.
Im Betrieb der Gasturbine unterliegen derartige Mantelringsegmente bzw. Shrouds einen Verschleiß, so dass dieselben bei Wartungsarbeitung entweder ausgetauscht oder repariert werden müssen. Nach der Praxis werden Mantelringsegmente von Gasturbinen dadurch repariert bzw. instandgesetzt, dass radial innenliegende Flächen der Mantelringsegmente, in welche im Betrieb der Gasturbine die Laufschaufeln einlaufen können, durch Niederdruckplasmaspritzen oder durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen beschichtet werden. Mit Niederdruckplasmaspritzen sowie Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ist jedoch eine Instandsetzung bzw. Reparatur der Mantelringsegmente nur in relativ geringem Umfang möglich, wobei die geringe erzielbare Festigkeit ein Problem ist.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Mantelringsegments; b) Abtragen eines beschädigten, radial innenliegenden Abschnitts des Mantelringsegments, derart, dass das Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius aufweist; c) Herstellen eines Ersatzabschnitts für das Mantelringsegment, wobei der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius des Mantelringsegments angepassten Außenradius aufweist; d) Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment; e) Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei hierzu zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Rändern im Vakuum gasdicht miteinander verschweißt werden, und wobei anschließend der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander diffusionsverbunden werden.

Die Erfindung stellt ein völlig neuartiges Verfahren zur Reparatur bzw. Instandsetzung von Mantelringsegmenten einer Gasturbine bereit. Der zur Reparatur eines Mantelringsegments hergestellte sowie verwendete Ersatzabschnitt kann mit einer hohen Haftfestigkeit zum Mantelringsegment über eine Diffusionsverbindung sowie mit einer hohen Thermowechselfestigkeit und Duktilität bereitgestellt werden. Der Ersatzabschnitt kann aus einem einkristallinen Werkstoff hergestellt werden und eine geringere thermische Ausdehnung und Wärmeleitfähigkeit aufweisen als der Grundwerkstoff des Mantelringsegments.

Vorzugsweise werden vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Kontaktflächen durch Strahlen, insbesondere durch abrasives Oxidstrahlen, aktiviert.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden nach dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment und vor dem Fügen derselben der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment in ihrer Ausrichtung zueinander durch Punktschweißen fixiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur bzw. Instandsetzung von gehäuseseitigen Mantelringsegmenten einer Gasturbine, die vorzugsweise als Trägerstrukturen für Einlaufbeläge dienen.
Zur Reparatur eines Mantelringsegments wird so vorgegangen, dass nach dem Bereitstellen des zu reparierenden Mantelringsegments von demselben ein beschädigter, radial innenliegender Abschnitt abgetragen wird, und zwar derart, dass das zu reparierende Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius bzw. Innendurchmesser aufweist. Der beschädigte Abschnitt des Mantelringsegments kann vom Mantelringsegment zum Beispiel durch Ausdrehen abgetragen werden.
Gegebenenfalls werden vor dem Abtragen des beschädigten Abschnitts vom Mantelringsegment Kühlluftbohrungen oder Risse durch Schweißen verschlossen.
Nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts vom zu reparierenden Mantelringsegment wird sodann ein Ersatzabschnitt für das Mantelringsegment hergestellt, und zwar derart, dass der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius bzw. Innendurchmesser des vom beschädigten Abschnitt befreiten Mantelringsegments angepassten Außenradius bzw. Außendurchmesser aufweist. Der Ersatzabschnitt wird vorzugsweise durch Gießen wie zum Beispiel Feingießen oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen (Metal Injecting Molding) hergestellt.
Das vom beschädigten Abschnitt befreite Mantelringsegment sowie der hergestellte Ersatzabschnitt werden sodann relativ zueinander ausgerichtet. Vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment erfolgt vorzugsweise eine Aktivierung von im ausgerichteten Zustand sich gegenüberliegenden Kontaktflächen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment. Das Aktivieren erfolgt vorzugsweise durch abrassives Strahlen. Gegebenenfalls können Ersatzabschnitt und Mantelringsegment an den Kontaktflächen auch mit Nickel beschichtet werden, und zwar mit einer Schichtdicke zwischen 0,003 mm und 0,005 mm.
Nach dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment erfolgt ein Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei vorzugsweise nach dem Ausrichten und vor dem Fügen der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment in Ihrer Ausrichtung zueinander durch Punktschweißen fixiert werden. Zum Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment werden zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment unter Vakuum gasdicht miteinander verschweißt, vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißen oder durch Laserstrahlschweißen. Das gasdichte Verschweißen erfolgt dabei an Rändern zwischen dem Ersatzabschnitt und dem Mantelringsegment. Nach dem gasdichten Verschweißen werden dann der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander verbunden.
Nach dem Fügen erfolgt vorzugsweise eine Überprüfung bzw. Inspektion der Fügeverbindung zwischen dem Ersatzabschnitt und dem Mantelringsegment, wobei diese Überprüfung insbesondere durch Röntgen, Ultraschallinspektion oder Thermographieinspektion durchgeführt wird. Nach dem Fügen sowie gegebenenfalls nach Überprüfung der Fügeverbindung kann eine Endkonturbearbeitung des reparierten Mantelringsegments durchgeführt werden, wobei hierbei auf eine radial innenliegende Fläche des reparierten Mantelringsegments und damit auf eine radial innenliegende Fläche des Ersatzabschnitts ein Einlaufbelag oder eine Wärmedämmschicht aufgetragen werden kann.
Der zur Reparatur eines Mantelringsegments hergestellte Ersatzabschnitt kann aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden wie das Mantelringsegment. So kann der Ersatzabschnitt zum Beispiel aus einem einkristallinen Werkstoff hergestellt werden. Bei der Werkstoffauswahl für den Ersatzabschnitt ist lediglich darauf zu achten, dass derselbe eine gute Haftfestigkeit zum Mantelringsegment sowie eine hohe Thermowechselfestigkeit sowie Duktilität besitzt.

Claims

Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit zumindest den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Mantelringsegments; b) Abtragen eines beschädigten, radial innenliegenden Abschnitts des Mantelringsegments, derart, dass das Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius aufweist; c) Herstellen eines Ersatzabschnitts für das Mantelringsegment, wobei der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius des Mantelringsegments angepassten Außenradius aufweist; d) Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment; e) Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei hierzu zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Rändern im Vakuum gasdicht miteinander verschweißt werden, und wobei anschließend der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander diffusionsverbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzabschnitt durch Gießen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzabschnitt durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Kontaktflächen vorzugsweise durch Strahlen aktiviert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Kontaktflächen mit Nickel beschichtet werden, vorzugsweise in einer Schichtdicke zwischen 0,003 mm bis 0,005 mm.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment und vor dem Fügen derselben der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment in ihrer Ausrichtung zueinander durch Punktschweißen fixiert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment eine Konturbearbeitung des reparierten Mantelringsegments durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment auf eine radial innenliegende Fläche des reparierten Mantelringsegments und damit des Ersatzabschnitts ein Einlaufbelag aufgetragen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment auf eine radial innenliegende Fläche des reparierten Mantelringsegments und damit des Ersatzabschnitts eine Wärmedämmschicht aufgetragen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment die Fügeverbindung zwischen Ersatzabschnitt und Mantelringsegment durch Röntgen, Ultraschall oder Thermographie geprüft wird.