DE102009043184A1

DE102009043184A1 - Verfahren zur Reparatur eines integralen Rotors und integraler Rotor

Info

Publication number: DE102009043184A1
Application number: DE200910043184
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. Steinhardt; Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-09-26
Filing date: 2009-09-26
Publication date: 2011-04-07
Also published as: WO2011035772A1; EP2344299A1

Abstract

Ein Verfahren zur Reparatur eines integralen Rotors (10), insbesondere eines Rotors (10) einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper (12) und einer Mehrzahl von Schaufeln (14) umfasst die Verfahrensschritte: Abtrennen einer auszutauschenden Schaufel (16) vom Rotor (10), wobei ein von dem Rotorgrundkörper (12) vorstehender Schaufelstrumpf (20) mit einer ersten Schweißkontaktfläche (22) gebildet wird; Bereitstellen einer Austauschschaufel (24) mit einer zweiten Schweißkontaktfläche (26); Anbringen eines Kragens (28) am Schaufelstumpf (20) und/oder an der Austauschschaufel (24) durch ein thermisches Spritzverfahren, wobei das Material des Kragens (28) einen Schmelzpunkt hat, der dem des Schaufelstumpfs (20) bzw. der Austauschschaufel (24) im Wesentlichen entspricht; Anschweißen der Austauschschaufel (24) am Schaufelstumpf (20) und zumindest teilweises Entfernen des Kragens (28).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines integralen Rotors, insbesondere eines Rotors einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper und einer Mehrzahl von Schaufeln, sowie einen solchen integralen Rotor.
Aus dem Stand der Technik sind Reparaturverfahren für integrale Rotoren bekannt, bei denen eine beschädigte Schaufel vom Rotor abgetrennt wird und eine Austauschschaufel an den am Rotor verbleibenden Schaufelstumpf durch lineare Reibschweiß- oder induktive Pressschweißverfahren angeschweißt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Reparaturverfahren für integrale Rotoren zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Reparatur eines integralen Rotors, insbesondere eines Rotors einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper und einer Mehrzahl von Schaufeln mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst: Abtrennen einer auszutauschenden Schaufel vom Rotor, wobei ein von dem Rotorgrundkörper vorstehender Schaufelstumpf mit einer ersten Schweißkontaktfläche gebildet wird; Bereitstellen einer Austauschschaufel mit einer zweiten Schweißkontaktfläche; Anbringen eines Kragens am Schaufelstumpf und/oder an der Austauschschaufel durch ein thermisches Spritzverfahren, wobei das Material des Kragens einen Schmelzpunkt hat, der dem des Schaufelstumpfs bzw. der Austauschschaufel im Wesentlichen entspricht; Anschweißen der Austauschschaufel am Schaufelstumpf; und zumindest teilweises Entfernen des Kragens.
Der Begriff Schaufelstumpf im Sinne dieser Erfindung ist als der am Rotorgrundkörper verbleibende Rest der zu reparierenden Schaufel zu verstehen. Ein Schaufelstumpf kann sich demnach auch bis zur Schaufelspitze erstrecken. Dementsprechend kann es sich bei der Austauschschaufel auch lediglich um eine neue Schaufelspitze handeln.
Durch Anbringen eines Kragens am Schaufelstumpf wird der Schaufelstumpf gegenüber den Belastungen bei Anschweißen der Austauschschaufel verstärkt. An der Austauschschaufel ermöglicht ein Kragen beispielsweise eine Fixierung der Austauschschaufel in der Schweißvorrichtung ohne Berührung der Schaufelblattoberfläche. Das thermische Spritzverfahren und der Schmelzpunkt des Materials des Kragens ermöglichen eine vielfältige Ausbildung des Kragens.
Da das Material des Kragens einen Schmelzpunkt besitzt, der dem des Schaufelstumpfs und/oder der Austauschschaufel im Wesentlichen entspricht, wird ein vorzeitiges Eindringen von die Schweißverbindung schwächendem Kragenmaterial in die Fügezone zwischen Schaufelstumpf und Austauschschaufel verhindert, was durch ein vorzeitiges Schmelzen des Kragens auftreten würde.
Es ist möglich, dass nur ein Teil des Kragens entfernt wird. Auf diese Weise können Maßtoleranzen ausgeglichen und andere Geometrien verwirklicht werden.
Vorzugsweise wird der Kragen durch Hochgeschwindigkeitsspritzen oder Kaltgasspritzen angebracht. Dies ermöglicht eine hohe Präzision bei der Ausbildung des Kragens durch ein ägeneratives Verfahren und gute Materialeigenschaften des Kragens.
Es bringt deutliche Vorteile, wenn die gleiche Legierung für das Material des Kragens und das Material des zugeordneten Schaufelstumpfs oder der zugeordneten Austauschschaufel vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die Schweißverbindung nicht beeinflusst, falls Material des Kragens in die Fügezone zwischen Austauschschaufel und Schaufelstumpf gelangt. Das Kragenmaterial wird auch hier unter Umständen dazu verwendet, Maßtoleranzen auszugleichen, zum Beispiel durch untermaßige Austauschschaufeln oder Schaufelstümpfe.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Austauschschaufel durch ein Reibschweißverfahren, insbesondere ein lineares Reibschweißverfahren angeschweißt.
Alternativ kann die Austauschschaufel durch ein Pressschweißverfahren, insbesondere ein induktives Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißverfahren angeschweißt werden.
Der Kragen kann im Bereich der zugeordneten Schweißkontaktfläche angebracht werden.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante schließt der Kragen mit der Schweißkontaktfläche des Schaufelstumpfs und/oder der Austauschschaufel bündig ab.
Die Schweißkontaktfläche lässt sich durch den Kragen vergrößern, der mit angeschweißt wird. Auf diese Weise kann eine kleine und unregelmäßig geformte Schweißkontaktfläche des Schaufelstumpfes vergrößert werden und/oder deren Geometrie für das Schweißen optimiert werden.
Es ist auch möglich, dass der Kragen nach dem Anschweißen der Austauschschaufel nur teilweise entfernt wird, wobei die resultierende am Rotor angeschweißte Austauschschaufel eine andere Geometrie aufweist als die ursprüngliche Schaufel. Eine solche neue Geometrie kann beispielsweise auf geänderte strukturmechanische Anforderungen angepasst sein.
Es ist möglich, dass ein Zwischenelement bereitgestellt wird, welches zwischen der Schaufel und dem Rotorgrundkörper angeordnet ist. Über ein Zwischenelement können eine Schaufel und ein Rotorgrundkörper mit verschiedenen Materialien verbunden werden, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften nicht direkt miteinander verschweißt werden können.
Beim Schweißvorgang wird die Austauschschaufel vorzugsweise an dem an ihr vorgesehenen Kragen gehalten, was ihre Belastung deutlich reduziert.
Die Erfindung betrifft auch einen integralen Rotor, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper und einer Mehrzahl von Schaufeln, wobei wenigstens eine Schaufel eine durch Reparatur an einem Schaufelstumpf einer entfernten Schaufel angebrachte Austauschschaufel ist. Am Schaufelstumpf und/oder am inneren Ende der Austauschschaufel ist ein Kragen zur Vergrößerung der Schweißkontaktfläche durch ein thermischen Spritzverfahren oder Kaltgasspritzen angebracht. Das Material des Kragens hat einen Schmelzpunkt, der dem Schaufelstumpf bzw. der Austauschschaufel im Wesentlichen entspricht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1a–f aufeinanderfolgende Schritte bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reparatur eines integralen Rotors;
2 eine zweite Ausführungsform des Kragens am Schaufelstumpf, der beim erfindungsgemäßen Verfahren vorhanden sein kann; und
3 eine dritte Ausführungsform des Kragens am Schaufelstumpf, der beim erfindungsgemäßen Verfahren vorhanden sein kann.
Anhand der 1a bis 1f werden im Folgenden Verfahrensschritte eines Reparaturverfahrens eines integralen Rotors 10 erläutert.
1a zeigt einen integralen Rotor 10, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper 12 und einer Mehrzahl von Schaufeln 14, wobei eine auszutauschende Schaufel 16 beschädigt ist.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das Ausmaß der Beschädigung der auszutauschenden Schaufel 16 bestimmt, und die auszutauschende Schaufel 16 wird radial einwärts der beschädigten Stelle entlang der punktiert gezeigten Schnittebene 18 vom Rotor 10 abgetrennt.
Durch das Abtrennen der auszutauschenden Schaufel 16 vom Rotor 10 wird ein von dem Rotorgrundkörper 12 vorstehender Schaufelstumpf 20 mit einer ersten radial stirnseitigen Schweißkontaktfläche 22 gebildet, der in 1b dargestellt ist. Eine Austauschschaufel 24 mit einer stirnseitigen, zweiten Schweißkontaktfläche 26 wird bereitgestellt. Die Austauschschaufel 24 hat eine der ursprünglichen Geometrie des abgetrennten Teils der auszutauschenden Schaufel 16 entsprechende Form.
In dem in 1c dargestellten Verfahrensschritt wird je ein Kragen 28 am Schaufelstumpf 20 und an der Austauschschaufel 24 durch ein thermisches Spritzverfahren (zum Beispiel Hochgeschwindigkeits- oder Kaltgasspritzen) angebracht. In dieser Ausführungsform ist die Geometrie des Kragens 28 so gewählt, dass der Kragen 28 mit der Schweißkontaktfläche 22, 26 des Schaufelstumpfs 20 bzw. der Austauschschaufel 24 bündig abschließt, wodurch die Schweißkontaktflächen 22, 26 durch den Kragen 28 vergrößert werden. Die Dicke jedes Kragens 28 kann zur von der Schweißkontaktfläche 22, 26 abgewandten Seite hin abnehmen oder alternativ über einen bestimmten Abschnitt konstant verlaufen oder zunehmen.
Die Kragen 28 laufen bevorzugt in Umfangsrichtung geschlossen um das zu verstärkende Teil um.
Der Kragen 28 kann auch die Geometrie des Teiles ändern, zum Beispiel kann die Schaufelkontur des Schaufelstumpfs 20 oder der Austauschschaufel 24 durch den Kragen 28 in eine rechteckige Form gebracht werden, was zum Beispiel das Fixieren der Teile während des nachfolgenden Schweißens erleichtert.
1d zeigt ein lineares Reibschweißverfahren, bei dem die Austauschschaufel 24 in radialer Richtung mit der zweiten Schweißkontaktfläche 26 gegen die erste Schweißkontaktfläche 22 des Schaufelstumpfs 20 gepresst wird und gleichzeitig die Austauschschaufel 24 in tangentialer Richtung linear oszillierend bewegt wird. Durch die entstehende Reibungswärme wird die gewünschte Schweißtemperatur erreicht. Die Geometrie des Kragens 28 ist so gewählt, dass die Belastungen des Schaufelstumpfs 20 während des Schweißverfahrens reduziert werden.
Es sind natürlich auch andere Reibschweißverfahren oder Pressschweißverfahren wie zum Beispiel induktives Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen möglich. Beim induktiven Pressschweißen wird die Fügezone induktiv aufgeheizt, wobei bei Erreichen der vorgesehenen Schweißtemperatur die Austauschschaufel 24 radial gegen den Schaufelstumpf 20 gepresst wird.
Insbesondere der Kragen 28 der Austauschschaufel 24 kann so gestaltet sein, dass eine Schweißvorrichtung 29 die Austauschschaufel 24 ausschließlich über den Kragen 28 berührt.
Das Material des Kragens 28 hat einen Schmelzpunkt, der dem des Schaufelstumpfs 20 bzw. der Austauschschaufel 24 im Wesentlichen entspricht. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Material des Kragens frühzeitig schmilzt und in die Fügezone zwischen Schaufelstumpf 20 und Austauschschaufel 24 gerät.
Der Schmelzpunkt des Materials des Kragens 28 kann beispielsweise in einem Temperaturbereich von 150°C über dem Schmelzpunkt des Materials des Bauteils an dem er angebracht ist (Schaufelstumpf 20 oder Austauschschaufel 24) bis 100°C unter dem Schmelzpunkt des Materials des entsprechenden Bauteils sein. Ein Scheibenmaterial ist beispielsweise Inco718 mit T_solidus 1.260°C, 1.996°C. Ein Schaufelmaterial ist beispielsweise LEK94 T_solidus 1.355°C, 1.410°C. Reines T_liquidus 1.410°C. Reines Ni besitzt T_liquidus 1.455°C. Alternative Legierungen unterscheiden sich typischerweise nur um wenige 10°C in den Schmelzpunkttemperaturen.
Das Material des Kragens 28 entspricht vorzugsweise dem seines zugeordneten Teils, also des zugeordneten Schaufelstumpfs 20 oder der zugeordneten Austauschschaufel 24. Aufgrund der Verwendung derselben Legierung wird nur dasselbe Material in der Fügezone zwischen Austauschschaufel 24 und Schaufelstumpf 20 während des Anschweißens vorhanden sein. Das Kragenmaterial dient dem Ausgleich von Untermaßen.
1e zeigt den Rotor 10 nach Anschweißen des Austauschschaufel 24 am Schaufelstumpf 20. Die Schweißkontaktflächen 22, 26 sind dabei über ihre gesamte Fläche miteinander verschweißt, wobei auch die Kragen 28 des Schaufelstumpfs 20 und der Austauschschaufel 24 miteinander verschweißt sind.
In einem abschließenden Verfahrensschritt wird der Kragen 28 von der Austauschschaufel 24 und dem Schaufelstumpf 20 entfernt, wie es in 1f gezeigt ist. Es ist aber auch möglich, den Kragen 28 nur teilweise zu entfernen. Das Entfernen der Kragen 28 erfolgt beispielsweise durch mechanisches oder elektrochemisches Bearbeiten.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kragens 28 am Schaufelstumpf 20. Der Kragen 28 erstreckt sich dabei ebenfalls bis zum Rotorgrundkörper 12 und stützt den Schaufelstumpf 20 somit zusätzlich gegenüber dem Rotorgrundkörper 12 ab.
Vorteilhafterweise ist der Kragen 28 so ausgebildet, dass der Schaufelstumpf 20 keine zusätzliche Abstützung durch die Schweißvorrichtung benötigt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kragen 28 zur verbesserten Abstützung in Richtung des Rotorgrundkörpers 12 verdickt.
In 3 ist ein integraler Rotor 10 gezeigt, bei dem die Schaufeln 14 und der Rotorgrundkörper 12 aus verschiedenen Materialien gefertigt sind. Bei einem solchen integralen Rotor 10 ist ein Zwischenelement 30 vorhanden, über welches die Schaufel 14 und der Rotorgrundkörper 12 verbunden sind. Über ein Zwischenelement 30 können Bauteile mit verschiedenen Materialien geschweißt werden, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften nicht direkt miteinander verschweißt werden können, beispielsweise verschiedene Legierungen oder einkristalline Bauteile mit polykristallinen Bauteilen. Der Kragen 28 kann sich über den Bereich des Zwischenelements 30 erstrecken, wodurch dieser Bereich zusätzlich stabilisiert wird.
Die defekte Schaufel 16 kann radial außerhalb oder auch im Bereich des Zwischenelements 30 abgetrennt werden.
Der Kragen 28 kann generell auch durch thermisches Spritzen verschiedener Materialien angebracht werden, wobei das Material des Kragens dabei jeweils an das angrenzende Bauteil, beispielsweise den Rotorgrundkörper 12, den Schaufelstumpf 20 oder das Zwischenelement 30, angepasst ist.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
12: Rotorgrundkörper
14: Schaufel
16: auszutauschende Schaufel
18: Schnittebene
20: Schaufelstumpf
22: erste Schweißkontaktfläche
24: Austauschschaufel
26: zweite Schweißkontaktfläche
28: Kragen
29: Schweißvorrichtung
30: Zwischenelement

Claims

Verfahren zur Reparatur eines integralen Rotors (10), insbesondere eines Rotors (10) einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper (12) und einer Mehrzahl von Schaufeln (14), gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Abtrennen einer auszutauschenden Schaufel (16) vom Rotor, wobei ein von dem Rotorgrundkörper (12) vorstehender Schaufelstumpf (20) mit einer ersten Schweißkontaktfläche (22) gebildet wird; – Bereitstellen einer Austauschschaufel (24) mit einer zweiten Schweißkontaktfläche (26); – Anbringen eines Kragens (28) am Schaufelstumpf (20) und/oder an der Austauschschaufel (24) durch ein thermisches Spritzverfahren, wobei das Material des Kragens (28) einen Schmelzpunkt hat, der dem des Schaufelstumpfs (20) bzw. der Austauschschaufel (24) im Wesentlichen entspricht; – Anschweißen der Austauschschaufel (24) am Schaufelstumpf (20); und – zumindest teilweises Entfernen des Kragens (28).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des Kragens (28) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (28) durch Hochgeschwindigkeitsspritzen oder Kaltgasspritzen angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gleiche Legierung für das Material des Kragens (28) und das Material des zugeordneten Schaufelstumpfs (20) oder der zugeordneten Austauschschaufel (24) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschschaufel (24) durch ein Reibschweißverfahren, insbesondere ein lineares Reibschweißverfahren, angeschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschschaufel (24) durch ein Pressschweißverfahren, insbesondere ein induktives Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißverfahren, angeschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (28) im Bereich der zugeordneten Schweißkontaktfläche (22, 26) angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (28) mit der Schweißkontaktfläche (22, 26) des Schaufelstumpfs (20) und/oder der Austauschschaufel (24) bündig abschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkontaktfläche (22, 26) durch den Kragen (28) vergrößert und mit angeschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (28) nach dem Anschweißen der Austauschschaufel (24) nur teilweise entfernt wird, wobei die resultierende am Rotor (10) angeschweißte Austauschschaufel (24) eine andere Geometrie aufweist als die ursprüngliche Schaufel (16).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auszutauschende Schaufel (16) über ein Zwischenelement (30) am Rotorgrundkörper (12) angeschweißt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schweißvorgang die Austauschschaufel am Kragen gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen umfangsmäßig geschlossen um den Schaufelstumpf oder die Austauschfläche umläuft.
Integraler Rotor (10), insbesondere einer Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper (12) und einer Mehrzahl von Schaufeln (14), wobei wenigstens eine Schaufel (14) eine durch Reparatur an einem Schaufelstumpf (20) einer entfernten Schaufel (16) angebrachte Austauschschaufel (24) ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Schaufelstumpf (20) und/oder am inneren Ende der Austauschschaufel (24) ein Kragen (28) zur Vergrößerung der Schweißkontaktfläche (22, 26) durch ein thermisches Spritzverfahren oder Kaltgasspritzen angebracht ist und das Material des Kragens (28) einen Schmelzpunkt hat, der dem der Schaufelstumpfs (20) bzw. der Austauschschaufel (24) im Wesentlichen entspricht.