DE102008008049A1

DE102008008049A1 - Heizvorrichtung für eine Turbinenschaufel und ein Verfahren zum Schweißen

Info

Publication number: DE102008008049A1
Application number: DE102008008049A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burbaum; Selim Dr. Mokadem; Norbert Pirch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20
Also published as: EP2237921A1; US20110000891A1; WO2009098106A1

Abstract

Beim Schweißen von Bauteilen werden die Bauteile vorgeheizt, um Spannungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) schlägt eine bestimmte Anordnung der Heizschleife (41) vor, um einen Temperaturgradienten im Bauteil zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für eine Turbinenschaufel und ein Verfahren zum Schweißen.
Bauteile wie Turbinenschaufeln werden oft geschweißt, um Risse umzuschmelzen oder um Material aufzutragen. Da beim Schweißen Material aufgeschmolzen wird, kommt es zu Thermospannungen zwischen dem aufgeschmolzenen Bereich und dem kälteren nicht aufgeschmolzenen Bereichen des Bauteils. Daher wird das Bauteil auf eine bestimmte Temperatur vorgeheizt, um solche Spannungen zu reduzieren.
Oft wird jedoch nicht die gewünschte Temperatur oder die gewünschte Temperaturverteilung erreicht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
1–4 verschiedene Ansichten einer Heizvorrichtung,
5 eine Gasturbine,
6 perspektivisch eine Turbinenschaufel,
7 eine Liste von Superlegierungen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1, die eine nicht näher dargestellte Aufnahme für eine Turbinenschaufel 4, 120, 130 (5, 6) aufweist.
Die Turbinenschaufel 4, 120, 130 weist ein Schaufelblatt 406 (6) und zumindest eine Schaufelplattform 403 (6) auf. Bei einer Laufschaufel 120 ist nur eine Schaufelplattform 403 vorhanden.
Die Vorrichtung 1 zum Heizen weist ein Heizdraht 41 auf, der um die Turbinenschaufel 4, 120, 130 geführt ist.
Vorzugsweise wird nur eine einzige Heizschleife 41 verwendet. Dies stellt eine einfache reproduzierbare Anordnung dar.
Vorzugsweise verläuft der Heizdraht 41 sowohl oberhalb der Plattform 403, vorzugsweise im Bereich des Schaufelblattes 406, als auch unterhalb der Schaufelplattform 403, also im Bereich des Befestigungsbereiches 400. Somit sind zwei Bereiche des Heizdrahts 41 der Turbinenschaufel 120, 130 diagonal zueinander angeordnet.
2 zeigt eine Ansicht auf 1, die um 90° gedreht ist.
Der Heizdraht 41 verläuft, wie in 1 beschrieben, sowohl oberhalb der Schaufelplattform 403 als auch unterhalb. Unterhalb vorzugsweise auf der Seite, auf der ein Schweißgerät 49 zum Schweißen angeordnet ist.
Die Heizschleife 41 verläuft oberhalb der Schaufelplattform 403 vorzugsweise möglichst auf oder nahe der Schaufelplattform 403 und/oder vorzugsweise möglichst nahe des Schaufelblatts 406.
Oberhalb der Schaufelplattform 403 ist der Heizdraht 41 auf der Seite des Schaufelblatts 406 angeordnet, der dem Schweißgerät 49 abgewandt ist.
Die Heizschleife 41 verläuft unterhalb der Schaufelplattform 403 vorzugsweise möglichst unter oder nahe der Schaufelplatt form 403 und/oder vorzugsweise möglichst nahe des Schaufelfußes (400).
Vorzugsweise wird ein gekrümmter Übergangsbereich 52 zwischen Schaufelblatt 406 und Schaufelplattform 403 geschweißt.
Der Temperaturgradient verläuft von dem Übergang 52 schräg zur Längsachse 121 (6) der Turbinenschaufel 120 in Richtung Schaufelfuß 400.
Mit dieser Anordnung des Heizdrahts 41 wird ein Temperaturgradient in dem Bereich 52, dem Übergang zwischen Schaufelblatt 406 und Schaufelplattform 403 erreicht.
3 zeigt eine Aufsicht auf 1.
Im Querschnitt ist das Schaufelblatt 406 dargestellt, das 406 in ihrem Querschnitt einen kleinen Bereich der Fläche der Schaufelplattform 403 ergibt. Das Schaufelblatt 406 weist eine nach innen und nach außen gekrümmte Oberfläche auf, also eine Saug- und eine Druckseite. Der Heizdraht 41 ist vorzugsweise im Bereich des Schaufelblatts 406 entsprechend dieser Geometrie gekrümmt, verläuft also nicht gradlinig.
Auf der Unterseite der Schaufelplattform 403, wie gestrichelt angedeutet, kann der Heizdraht 41 ebenso vorzugsweise gekrümmt ausgebildet sein, auch wenn der Befestigungsbereich 400 nicht zwangsläufig dieselbe gekrümmte Geometrie aufweist wie das Schaufelblatt 406 oberhalb der Plattform 403.
Der Heizdraht 41 kann oberhalb der Schaufelplattform 403 entweder entlang der Druckseite (3) oder der Saugseite (4) geführt werden.
Diese Heizvorrichtung 1 wird vorzugsweise beim Schweißen verwendet.
Dabei wird ein Schweißgerät 49 verwendet, das auf der Seite der Turbinenschaufel 120, 130 angeordnet wird, bei der der Heizdraht 41 unterhalb der Schaufelplattform 403 verläuft. Es kann sowohl auf der Saug- oder Druckseite geschweißt werden. Dementsprechend ist die Heizschleife 41 angeordnet.
Vorzugsweise wird ein gekrümmter Übergangsbereich 52 zwischen Schaufelblatt 406 und Schaufelplattform 403 geschweißt, der einen Temperaturgradienten aufweist.
Vorzugsweise weist die Turbinenschaufel 120, 130 eine DS- oder SX-Struktur auf, wobei in dem geschweißten Bereich durch den Temperaturgradienten ebenso vorzugsweise eine DS- oder SX-Struktur erzielt wird.
Vorzugsweise wird auf die Turbinenschaufel 120, 130 ein magnetisches Pulver, insbesondere ein magnetisches und dielektrisches Pulver aufgetragen, das als Konzentrator für die Heizschleife 41 beim Heizen dient. Dabei wird großflächig (aber nicht die gesamte Turbinenschaufel 120, 130 oder nicht das gesamte Schaufelblatt 406) Pulver gegenüber der Heizschleife 41 aufgetragen. Zu schweißende Bereiche werden dabei ausgelassen.
Die 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d. h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
Die 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z. B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d. h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d. h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d. h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d. h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z. B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1204776 B1 [0047, 0057]
- EP 1306454 [0047, 0057]
- EP 1319729 A1 [0047, 0057]
- WO 99/67435 [0047, 0057]
- WO 00/44949 [0047, 0057]
- US 6024792 [0063]
- EP 0892090 A1 [0063]
- EP 0486489 B1 [0064]
- EP 0786017 B1 [0064]
- EP 0412397 B1 [0064]
- EP 1306454 A1 [0064]

Claims

Vorrichtung zum Heizen einer Turbinenschaufel (120, 130), bei dem eine Heizschleife (41) verwendet wird, die um die Turbinenschaufel (120, 130) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Heizschleife (41) so angeordnet ist, dass ein Temperaturgradient, insbesondere im Schaufelblatt (406), erzielt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Heizschleife (41) bei der Turbinenschaufel (120, 130) oberhalb einer Schaufelplattform (403) und unterhalb einer Schaufelplattform (403) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Heizschleife (41) oberhalb der Schaufelplattform (403) im Bereich des Schaufelblatts (406), insbesondere entsprechend der Krümmung des Schaufelblatts (406), gekrümmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Heizschleife (41) unterhalb der Plattform (403) gekrümmt ist, insbesondere entsprechend der Krümmung des Schaufelblatts (406) oberhalb der Schaufelplattform (403).
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, die nur eine einzige Heizschleife (41) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, bei der die Heizschleife (41) nahe der Schaufelplattform (403) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei der die Heizschleife (41) nahe des Schaufelblatts (406) oder des Schaufelfußes (400) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, 2, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei der die Heizschleife (41) auf der Saugseite des Schaufelblatts (406) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, 2, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei der die Heizschleife (41) auf der Druckseite des Schaufelblatts (406) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die ein Teil einer Schweißvorrichtung einer Turbinenschaufel (120, 130, 155) darstellt.
Verfahren zum Schweißen einer Turbinenschaufel (120, 130), bei dem eine Vorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, ein Schweißgerät (49), insbesondere ein Laser, verwendet wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Schweißung auf der Seite der Turbinenschaufel (120, 130) durchgeführt, bei der die Heizschleife (41) unterhalb der Schaufelplattform (403) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Schweißnaht in einer DS- oder SX-Struktur gerichtet erstarrt gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem ein Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt (406) und Schaufelplattform (403) geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, bei dem ein magnetisches, insbesondere ein magnetisches und dielektrisches Pulver im zu erwärmenden Bereich aufgetragen wird.