DE102007014030A1

DE102007014030A1 - Verfahren zur Instandsetzung von Bauteilen einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102007014030A1
Application number: DE200710014030
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eichmann; Falko Heutling; Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Instandsetzung von Bauteilen einer Gasturbine mit mindestens einer Verschleißschutzschicht, insbesondere zum Instandsetzen von Bauteilen einer Gasturbine eines Flugtriebwerks mit mindestens einer erosions-, temperatur-, oxidations- und/oder korrosionsbeständigen Schutzschicht. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Schritte: a) Bereitstellung eines Bauteils (10) mit einer lokal begrenzten, kerbartigen Beschädigung (12) der Verschleißschutzschicht (16) und b) Abtragen von Material im Bereich der Beschädigung (12) zur Ausbildung einer definierten Ausnehmung (14) in der Verschleißschutzschicht (16) und/oder dem damit beschichteten Bauteil (10), wobei die Ausnehmung (14) derart gestaltet ist, dass ihr Strömungswiderstand im Vergleich zu der kerbartigen Beschädigung (12) signifikant verringert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mit diesem Verfahren instand gesetztes Bauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Instandsetzung von Bauteilen einer Gasturbine mit mindestens einer Verschleißschutzschicht, insbesondere zum Instandsetzen von Bauteilen einer Gasturbine eines Flugtriebwerks mit mindestens einer erosions-, temperatur-, oxidations- und/oder korrosionsbeständigen Schutzschicht.
Strömungsmechanisch belastete Bauteile, wie zum Beispiel Gasturbinenbauteile von Flugtriebwerken, unterliegen einem Verschleiß infolge von Oxidation, Korrosion und Erosion. Um die Lebensdauer derartiger Bauteile zu verlängern, werden Verschleißschutzschichten, zum Beispiel erosions-, temperatur-, oxidations- und/oder korrosionsbeständige Schutzschichten auf die entsprechenden Bauteile aufgetragen. Diese Schutzschichten werden zum Beispiel auf Turbinenschaufeln aufgetragen, die aus einer Nickel-Basislegierung bestehen. Schäden an diesen Verschleißschutzschichten und dem Bauteil werden durch Entfernung der Schicht, Reparatur des Bauteils und Wiederbeschichtung instand gesetzt. Da derartige Verfahren kosten- und zeitaufwändig sind, führt dies in häufigen Fällen dazu, dass zum Beispiel gegen Erosion beschichtete Schaufeln eines Verdichters einer Gasturbine nach derartigen Schäden verschrottet werden. Insbesondere bei so genannten Blisk- oder Blingbauteilen führt dies zu sehr hohen Kosten, da die meist nicht geschädigte Scheibe des Blisk- oder Blingbauteils noch eine hohe Restlebensdauer aufweist. Eine weitere Ursache für die häufige Verschrottung von derartigen Bauteilen nach bereits kleinen Beschädigungen liegt darin begründet, dass eine Entschichtung der üblicherweise als Mehrschichtsysteme mit teilweise extrem unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung der einzelnen Schichten nur sehr schwierig ist und ohne gleichzeitige Schädigung des Grundwerkstoffs des Bauteils, zum Beispiel einer Turbinenschaufel durchzuführen ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur Instandsetzung von Bauteilen einer Gasturbine mit mindestens einer Verschleißschutzschicht, insbesondere zum Instandsetzen von Bauteilen einer Gasturbine eines Flugtriebwerks mit mindestens einer erosions-, temperatur-, oxidations- und/oder korrosionsbeständigen Schutzschicht bereitzustellen, bei dem eine kostengünstige und schnelle Instandsetzung der beschädigten Bauteile gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Instandsetzung von Bauteilen einer Gasturbine mit mindestens einer Verschleißschutzschicht, insbesondere ein Verfahren zum Instandsetzen von Bauteilen einer Gasturbine eines Flugtriebwerks mit mindestens einer erosions-, temperatur-, oxidations- und/oder korrosionsbeständigen Schutzschicht umfasst folgende Schritte: a) Bereitstellung eines Bauteils mit einer lokal begrenzten, kerbartigen Beschädigung der Verschleißschutzschicht und b) Abtragen von Material im Bereich der Beschädigung zur Ausbildung einer definierten Ausnehmung in der Verschleißschutzschicht und/oder dem damit beschichteten Bauteil, wobei die Ausnehmung zur Verminderung der Gefahr von Kerbwirkung im Bereich der Beschädigung abgerundet gestaltet wird.
Durch ein derartiges partielles Reparaturverfahren muss die Verschleißschutzschicht nicht mehr kostenintensiv vollständig entfernt und wieder aufgebracht werden. Die durch die Beschädigung aufgetretene Kerbwirkung wird zuverlässig beseitigt, ein vorzeitiger Ausfall des Bauteils somit vermieden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht ein Bauteil, das in dem Bereich der ursprünglichen, insbesondere kerbartigen, Beschädigung eine definierte Ausnehmung ohne Verschleißschutzschicht aufweist. Üblicherweise liegen jedoch diese Bereiche beispielsweise für erosionsbelastet Schaufeln vorwiegend unter einer 90°-Belastung der auftreffenden Erosionspartikel, so dass sich der Grundwerkstoff des Bauteils, insbesondere der Grundwerkstoff einer Versdichterschaufel oder Turbinenschaufel selbst schützen kann, da unter 90° zum Beispiel keramische Erosionsschutzschichten eine geringere Schutzwirkung als der Grundwerkstoff des Bauteils selbst aufweisen. Die an den Seitenwänden der Ausnehmung weiterhin vorhandenen Verschleißschutzschichten verhindern, dass das Bauteil in dem Bereich der Ausnehmung übermäßig ausgewaschen bzw. erodiert wird. Damit wird zuverlässig eine Kerbenbildung verhindert, die zu einem frühzeitigen Ausfall des Bauteils führen könnte. Zudem liegen in diesen Seitenbereichen die Anstrahlwinkel durch die entstehenden Strömungen im Bereich von 0° bis 20°. Bei derartigen Anstrahlwinkeln weisen die zum Beispiel keramischen Schutzschichten eine maximale Verschleißschutzwirkung auf. Die maximale Größe der ausgebildeten Ausnehmung richtet sich nach den mechanisch zulässigen Größenbereichen des instand zu setzenden Bauteils.
In vorteilhafter Weiterbildung erfolgt das Abtragen von Material im Bereich der Beschädigung zur Ausbildung einer definierten Ausnehmung in der Verschleißschutzschicht und/oder dem damit beschichteten Bauteil derart, dass sich im Betrieb der Gasturbine im Bereich der Ausnehmung eine Grenzschicht ausbildet, welche derart ist, dass die im Betrieb der Gasturbine die Ausnehmung anströmende Luftströmung mittels der Grenzschicht im Wesentlichen laminar an dem Bereich der Beschädigung bzw. Ausnehmung vorbeiströmt. Der Betrieb der Gasturbine kann dabei insbesondere Volllastbetrieb sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Abtragen gemäß Verfahrensschritt b) mittels einem Ausschleifen oder Ausfräsen. Die gebildete Ausnehmung kann dabei im Querschnitt ungefähr halbkreisförmig, U-förmig oder als Halboval ausgebildet sein. Auch andere Formen sind denkbar, die Form der Ausnehmung richtet sich dabei insbesondere nach der Größe und Tiefe der zu beseitigenden kerbartigen Beschädigung des Bauteils. Entscheidend für die resultierende Form der Ausnehmung ist ein möglichst geringer Strömungswiderstand in der Ausnehmung, so dass der durch Strömung entstehende Erosionsangriff minimiert wird; aber auch die meachnische Bauteilfestigkeit darf nicht gefährdet werden. Hierbei kann die Oberfläche der Ausnehmung zudem möglichst glatt ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bauteil eine Schaufelspitze einer Verdichter- oder Turbinenschaufel. Insbesondere durch so genannten Foreign Object Damage (FOD) entstehen hier Schäden im Eintritts- bzw. Austrittskantenbereich der Schaufeln. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Verschrottung des gesamten Bauteils, nämlich der Verdichter- oder Turbinenschaufel vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil einer Gasturbine, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine eines Flugtriebwerks wird nach einem im Vorhergehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren instand gesetzt. Das Bauteil kann dabei eine Schaufelspitze einer Turbinenschaufel einer Gasturbine eines Flugtriebwerks sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines beschichteten Bauteils mit einer lokal begrenzten, kerbartigen Beschädigung; und
2 das Bauteil gemäß 1 nach Instandsetzung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mit mindestens einer Verschleißschutzschicht beschichtetes Bauteil 10. Es handelt sich dabei gemäß dem Ausführungsbeispiel um eine Verdichter- oder Turbinenschaufel. Man erkennt, dass die Verdichter- oder Turbinenschaufel 10 im Kantenbereich 20 eine lokal begrenzte, kerbartige Beschädigung 12 aufweist. Derartige Beschädigungen können zum Beispiel durch so genannte FODs entstehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verdichter- oder Turbinenschaufel 10 als Einzelschaufel dargestellt. Es ist aber auch möglich, dass die Verdichter- oder Turbinenschaufel integraler Bestandteil einer so genannten BLISK oder BLING ist.
2 zeigt die Schaufel 10 nach dem Abtragen von Material im Bereich der Beschädigung 12. Man erkennt, dass eine definierte Ausnehmung 14 in der Verschleißschutzschicht 16 und der damit beschichteten Schaufel 10 durch Ausschleifen oder Ausfräsen ausgebildet worden ist. Zudem erkennt man, dass die Ausnehmung 14 derart gestaltet ist, dass ihr Strömungswiderstand im Vergleich zu der kerbartigen Beschädigung 12 signifikant verringert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 14 im Querschnitt ungefähr halbkreisförmig ausgebildet. Zudem wird bei dem Abtragen von Material versucht, die Oberfläche 18 der Ausnehmung 14 möglichst glatt auszubilden, um auch hier den entstehenden Strömungen einen möglichst geringen Erosionsangriff zu ermöglichen. Als Schutzschichten werden dabei insbesondere keramische Schutzschichten verwendet, der Grundwerkstoff der Verdichter- oder Turbinenschaufel 10 besteht üblicherweise aus einer Nickel-Basislegierung oder Titanlegierung.

Claims

Verfahren zur Instandsetzung von Bauteilen einer Gasturbine mit mindestens einer Verschleißschutzschicht, insbesondere zum Instandsetzen von Bauteilen einer Gasturbine eines Flugtriebwerks mit mindestens einer erosions-, temperatur-, oxidations- und/oder korrosionsbeständigen Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines Bauteils (10) mit einer lokal begrenzten, insbesondere kerbartigen, Beschädigung (12) der Verschleißschutzschicht (16); und b) Abtragen von Material im Bereich der Beschädigung (12) zur Ausbildung einer definierten Ausnehmung (14) in der Verschleißschutzschicht (16) und/oder dem damit beschichteten Bauteil (10), wobei die Ausnehmung (14) zur Verminderung der Gefahr von Kerbwirkung im Bereich der Beschädigung abgerundet gestaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen von Material im Bereich der Beschädigung (12) zur Ausbildung einer definierten Ausnehmung (14) in der Verschleißschutzschicht (16) und/oder dem damit beschichteten Bauteil (10) derart erfolgt, dass sich im Betrieb der Gasturbine im Bereich der Ausnehmung eine Grenzschicht ausbildet, welche derart ist, dass die im Betrieb der Gasturbine die Ausnehmung anströmende Luftströmung mittels der Grenzschicht im Wesentlichen laminar an dem Bereich der Beschädigung (12) bzw. Ausnehmung (14) vorbeiströmt
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen gemäß Verfahrensschritt b) mittels einem Ausschleifen oder Ausfräsen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (14) im Querschnitt ungefähr halbkreisförmig, U-förmig oder als Halboval ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (18) der Ausnehmung (14) glatt ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufelspitze einer Verdichter- oder Turbinenschaufel (10) ist.
Bauteil einer Gasturbine, insbesondere Bauteil einer Gasturbine eines Flugtriebwerks instand gesetzt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufelspitze einer Verdichter- oder Turbinenschaufel (10) einer Gasturbine eines Flugtriebwerks ist.