DE102012013949A1

DE102012013949A1 - Reparaturverfahren zur Reparatur einer Schaufel einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102012013949A1
Application number: DE201210013949
Authority: DE
Inventors: Jürgen Duprè
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-01-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reparaturverfahren zur Reparatur einer Schaufel 29 einer Gasturbine, bei welchem ein schadhafter Bereich 30 der Schaufel 29 digitalisiert wird, bei welchem die Daten des digitalisierten Bereichs mit Solldaten der Schaufel verglichen werden, bei welchem mittels der Vergleichsdaten ein einzufügendes Ersatzteil 32 bestimmt wird, bei welchem das Ersatzteil 32 hergestellt wird, bei welchem der schadhafte Bereich 30 der Schaufel 29 passend zu dem Ersatzteil entfernt wird, und bei welchem das Ersatzteil 32 mittels eines Fügeverfahrens mit der Schaufel 29 verbunden wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reparaturverfahren zur Reparatur einer Schaufel einer Gasturbine und ist sowohl für Schaufeln im Verdichterbereich als auch im Turbinenbereich anwendbar.
Im Betrieb von Triebwerken treten unter anderem an den Eintrittskanten der Schaufeln Beschädigungen auf, im Verdichterbereich überwiegend durch Fremdkörper, im Turbinenbereich zusätzlich durch die hohen Temperaturen und die Beeinträchtigung zum Beispiel der Oberflächenkühlung durch Verschmutzung der Austrittsöffnungen der Kühlluftbohrungen. Traditionell werden Risse an den Eintrittskanten der Turbinenleitschaufeln durch Hochtemperaturlöten repariert. Es gibt auch Reparaturmethoden, bei welchen lokale, durch Erosion und Korrosion beschädigte Bereiche der Leitschaufeleintrittskante durch das Entfernen der Eintrittskante auf ihrer gesamten Länge und durch das Einfügen eines Reparaturteils ersetzt werden.
Mit Hilfe des Hochtemperaturlötens lassen sich nur Risse bis zu einer bestimmten Größe wieder schließen. Sofern durch den Rissfortschritt Teile aus der Eintrittskante herausgebrochen sind und demzufolge nicht mehr vorhanden sind, müssen diese durch ein Ersatzteil ersetzt werden. Diese Reparaturteile sind vordefinierte Rohlinge, welche auf der einen Seite mit entsprechendem Übermaß hergestellt werden, damit mögliche Bauteiltoleranzen, bzw. Verformungen durch den Betrieb ausgeglichen werden. Auf der anderen Seite werden komplexe Innenkonturen der Schaufeln nicht berücksichtigt. Der Aufwand der mechanischen Vorbereitung an dem zu reparierenden Bauteil ist recht hoch, da sich das Ersatzteil über die gesamte Länge der Schaufeleintrittskante einschließlich der Plattformen ausdehnt. Aufgrund des Übermaßes des Ersatzteils ist eine zeitaufwendige Konturanpassung des reparierten Bereichs am Bauteil erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reparaturverfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches bei einfachen Aufbau und einfacher, kostengünstiger Durchführbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine effektive Reparatur von Schäden an Schaufeln einer Gasturbine ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein schadhafter Bereich der Schaufel digitalisiert. Nachfolgend werden die Daten des digitalisierten Bereichs mit Solldaten der Schaufel verglichen. Mittels der Vergleichsdaten wird nachfolgend ein einzufügendes Ersatzteil definiert, welches exakt den beschädigten Bereich bzw. den Bereich der Schaufel, der im Rahmen einer Reparatur des beschädigten Bereichs entfernt werden muss, gleicht. Aufgrund der vorliegenden Daten wird das Ersatzteil hergestellt, wobei insbesondere die Materialauswahl und die Außengeometrie sowie die Innengeometrie exakt an den zu ersetzenden, beschädigten Bereich angepasst werden. Der schadhafte Bereich der Schaufel wird passend zu dem Ersatzteil entfernt, nachfolgend wird das Ersatzteil mittels eines Fügeverfahrens mit der Schaufel verbunden. Es ergibt sich somit ein passgenauer Sitz des Ersatzteils.
Die Digitalisierung des schadhaften Bereichs der Schaufel erfolgt bevorzugterweise mittels eines 3D-Scanners. Erfindungsgemäße wird somit das Ersatzteil identisch zu dem zu reparierenden Bereich der Schaufel hergestellt.
Die Erfindung sieht somit vor, dass das Beschädigungsprofil z. B. an der Leitschaufeleintrittskante im Turbinenbereich des Triebwerks mit einem 3D-Scaner digitalisiert wird. Zusammen mit dem bereits existierenden 3D-Design Modell des Bauteils kann die erforderliche Abmessung des Reparaturteils individuell definiert werden. Aufgrund des 3D-Design Modells kann auch die bei manchen Turbinenschaufeln komplexe Innenkontur mit berücksichtigt werden. Diese Vorgehensweise – Scannen des realen Bauteils in Verbindung mit virtuellen Daten des 3D-Design Modells – ermöglicht es, Toleranzen des Herstellungsprozesses auf der einen Seite, und Verformungen durch den Betrieb des Bauteils auf der anderen Seite, mit zu berücksichtigen.
Des Weiteren besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, bei der Definition des erforderlichen Reparaturteils die Spannungsverteilung im Bauteil zu berücksichtigen und bei der Definition der Abmessung bzw. der Kontur des Ersatzteils zu berücksichtigen.
Nach Aufbereitung des Datensatzes kann auf der einen Seite mit Hilfe des SLM-Verfahrens (Selektiv Laser Melting) ein dem Beschädigungsprofil entsprechendes Reparaturteil hergestellt werden. Hierbei besteht, durch die Verwendung von pulverförmigem Ausgangsmaterial, die Möglichkeit, eine Optimierung der Werkstoffeigenschaften einzuführen. Dieses Reparaturteil entspricht sowohl in der Außenkontur als auch im Besonderen in der Innenkontur einem Neubauteil.
Weiter wird erfindungsgemäß aus dem Datensatz ein Bearbeitungsprogram generiert, welches es ermöglicht, entsprechend der Definition des Reparaturteils den beschädigten Bereich am Bauteil durch ein mechanisches (z. B. Fräsen) oder chemisches (z. B. Erodieren) Verfahren zu entfernen. In Abhängigkeit des Fügeverfahrens (z. B. Löten oder Schweißen) werden bei der Bearbeitung des Bauteils, bzw. bei der Herstellung des Reparaturteils die erforderlichen Spaltmaße bereits berücksichtigt. So ist sichergestellt, dass das Reparaturteil sich optimal in die Bauteilkontur einbettet und die erforderlichen Voraussetzungen für den anschließenden Fügeprozess optimal sind.
Die Erfindung ermöglicht es, ein dem Beschädigungsprofil angepasstes Reparaturteil herzustellen. Mit Hilfe der digitalen Daten wird erfindungsgemäß eine gezielte (Minimalprinzip – nur so wenig Grundwerkstoff wie notwendig) Bearbeitung des zu reparierenden Bereich am Bauteil durchgeführt. Des Weiteren kann die, z. B. für die Innenkühlung von Turbinenbauteils wichtige Innenkontur mit berücksichtigt werden. Außerdem kann der Aufwand für die Nachbearbeitung auf ein Minimum reduziert werden da, aufgrund der digitalen Daten Formabweichungen des realen Bauteils gegenüber den virtuellen 3D-Design Daten berücksichtigt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung, und
2 bis 6 die einzelnen erfindungsgemäßen Reparaturstufen in perspektivischer Darstellung einer Schaufel einer Fluggasturbine.
Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
Die 2 bis 6 zeigen die erfindungsgemäßen Reparaturschritte zur Reparatur einer beschädigten Schaufel 29, welche beispielsweise eine Statorschaufel einer Hochdruckturbine ist.
In 2 ist eine Schaufel 29 dargestellt, welche eine Beschädigung 30 aufweist. Dies kann ein Bereich sein, der durch Erosion ausgebrochen ist oder der aus anderen Gründen ersetzt werden muss.
Die 3 zeigt den Zustand, in welchem der schadhafte Bereich/die Beschädigung 30 der Schaufel 29 digitalisiert wurde, um eine Kontur 31 zu bestimmen. Diese Kontur 31 zeigt den Bereich, der aus der Schaufel entfernt wird und durch ein Ersatzteil ersetzt wird.
Die 4 zeigt ein weiteres Reparaturstadium, im welchem passend zu der Kontur 31 der beschädigte Bereich der Schaufel 29 entfernt wurde.
Die mechanische Fertigung eines passenden Ersatzteils 32 ist in den 2 bis 6 nicht im Einzelnen dargestellt. Gemäß der Darstellung der 5 wurde das Ersatzteil 32 (Reparaturteil) bereits eingesetzt und mit der Schaufel 29 verbunden, beispielsweise mittels eines Laserschweißverfahrens oder eines Lötverfahrens.
Die 6 zeigt den Abschluss des Reparaturverfahrens, bei welchem das Ersatzteil 32 mit der Schaufel 29 mittels eines Fügeverfahrens verbunden wurden. Die gegebenenfalls bestehenden Übergänge (Kanten oder Ähnliches) wurden bearbeitet, so dass sich eine Schaufel 29 ergibt, welche hinsichtlich ihrer Dimensionierung und Funktionalität einer neuwertigen Schaufel gleicht.
Es versteht sich, dass erfindungsgemäß die in 4 gezeigte mechanische Vorbereitung, so wie die nicht dargestellte Fertigüng des Ersatzteiles gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge zueinander erfolgen kann.
Die anhand der 2 bis 6 beschriebene Erfindung ermöglicht somit die Reparatur von Triebwerksteilen, beispielsweise Turbinenschaufeln 29. Dabei wird die beschädigte Schaufel 29 zunächst ausgebaut und dann mittels eines 3D-Scanners digitalisiert. Zusammen mit einem bereits existierenden 3D-Referenzmodell der Schaufel 29 im Originalzustand können so die Abmessungen des einzuarbeitenden Ersatzteils 32 optimiert werden, wobei insbesondere auch komplexe Innenkonturen berücksichtigt werden können. Der Datensatz der Beschädigungsstelle kann dann dazu verwendet werden, das einzuarbeitende Ersatzteil 32 zu fertigen, beispielsweise mittels eines SLM-Verfahrens, welches der Außen- und Innenkontur des Originalbauteils entspricht. Des Weiteren kann mittels des Datensatzes der beschädigte Bereich der Schaufel 29 gemäß den Abmessungen des einzuarbeitenden Ersatzteils 32 mechanisch und/oder chemisch bearbeitet werden, so dass das Ersatzteil 32 in den beschädigten Bereich 30 eingefügt werden kann, beispielsweise durch Löten oder Schweißen.
Bezugszeichenliste

1: Triebwerksachse
10: Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
11: Lufteinlass
12: Fan
13: Mitteldruckkompressor (Verdichter)
14: Hochdruckkompressor
15: Brennkammer
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Leitschaufeln.
21: Triebwerksgehäuse
22: Kompressorlaufschaufeln
23: Leitschaufeln
24: Turbinenschaufeln
26: Kompressortrommel oder -scheibe
27: Turbinenrotornabe
28: Auslasskonus
29: Schaufel
30: Beschädigung/schadhafter Bereich
31: Kontur
32: Ersatzteil

Claims

Reparaturverfahren zur Reparatur einer Schaufel (29) einer Gasturbine, – bei welchem ein schadhafter Bereich (30) der Schaufel (29) digitalisiert wird, – bei welchem die Daten des digitalisierten Bereichs mit Solldaten der Schaufel verglichen werden, – bei welchem mittels der Vergleichsdaten ein einzufügendes Ersatzteil (32) bestimmt wird, – bei welchem das Ersatzteil (32) hergestellt wird, – bei welchem der schadhafte Bereich (30) der Schaufel (29) passend zu dem Ersatzteil entfernt wird, und – bei welchem das Ersatzteil (32) mittels eines Fügeverfahrens mit der Schaufel (29) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierung des schadhaften Bereichs (30) der Schaufel (29) mittels eines 3D-Scanners erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzteil (32) identisch zu dem zu reparierenden Bereich der Schaufel (29) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzteil (32) aus einem Pulverwerkstoff hergestellt wird, insbesondere mittels eines SLM-Verfahrens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzteil (32) unter Berücksichtigung der zum Fügen erforderlichen Spaltmaße und/oder unter Berücksichtigung von Schrumpfmaßen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzteil (32) mittels eines Schweißverfahrens oder eines Lötverfahrens mit der Schaufel (29) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im ausgebauten Zustand der Schaufel (29) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im eingebauten Zustand der Schaufel durchgeführt wird.