-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonturierung einer Schaufel, wobei die Schaufel zumindest eine Vorderkante und eine Hinterkante, eine Schaufelspitze und einen Schaufelfuß umfasst, und wobei die Schaufel zumindest einen Erosionsbereich aufweist. Zudem betrifft die Erfindung eine solche rekonturierte Schaufel.
-
Bei Dampfturbinen kommen Schaufeln sowohl in der Kompressor- als auch in der Turbinenstufe zum Einsatz. Diese Schaufeln weisen in der Regel ein Flügelprofil auf. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist dieses Profil für die Schaufeln jeder einzelnen Kompressor- und Turbinenstufe optimiert. Wichtiger Teil dieser Optimierung ist auch die Formgebung der Eintritts-/Austrittskante der Schaufel.
-
Dampfturbinen unterliegen im Betrieb Verschleißerscheinungen, die sich bei den eingesetzten Schaufeln u.a. in einem Abtrag des Oberflächenmaterials äußern. Dieser Abtrag ist ungefährlich, solange die mechanische Integrität nicht gefährdet wird. Bei großen Schaufeln wie z.B. Endstufenschaufeln kann es bei großen Abtragraten zu einer Frequenzänderung kommen, so dass eine Anregung der Schaufel durch harmonische Frequenzen nicht ausgeschlossen werden kann. Außerdem können Rissbildungen initiiert werden, die im Betrieb weiter anwachsen und zu einem Schaufelabriss führen. In solchen Fällen muss die Schaufel durch eine Ersatzschaufel getauscht oder sehr aufwendig saniert werden.
-
Bisher wurden beschädigte Schaufeln getauscht oder durch ein Schweißverfahren saniert. Dabei wurde immer versucht, die Originalkontur wiederherzustellen. Oftmals ist im Vorfeld nicht bekannt, welche Schädigung an der Schaufel vorliegt. Dies wird erst bei der Öffnung der Turbine ersichtlich. Die Betreiber suchen daher nach Lösungen, die sofort und kostengünstig anwendbar sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Rekonturierung einer Schaufel anzugeben, welches das oben genannte Problem löst. Eine weitere Aufgabe liegt in der Angabe einer solchen rekonturierten Schaufel.
-
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Rekonturierung einer Schaufel, wobei die Schaufel zumindest eine Vorderkante und eine Hinterkante, eine Schaufelspitze und einen Schaufelfuß umfasst, und wobei die Schaufel zumindest einen Erosionsbereich aufweist, umfassend folgende Schritte:
- – Messen des zumindest einen Erosionsbereichs, insbesondere an der Vorderkante, der Hinterkante und der Schaufelspitze der Schaufel zumindest an vordefinierten Stellen,
- – graphisches Festlegen einer neuen Kontur, insbesondere einer neuen Eintrittskantenkontur und/oder Austrittskantenkontur, auf Basis des zumindest einen maßlich erfassten Erosionsbereichs,
- – rechnergestütztes Überprüfen der neuen Kontur hinsichtlich der Strömungs- sowie mechanischen, insbesondere der statischen und/oder dynamischen Eigenschaften,
- – Erstellung von zumindest einer Fertigungszeichnung der finalen Geometrie der modifizierten Schaufel, die eine definierte Bearbeitung der Schaufel sicherstellt,
- – Bearbeitung der Schaufel durch ein spanendes Fertigungsverfahren anhand der zumindest einen Fertigungszeichnung,
- – Durchführung einer Qualitätskontrolle der Schaufel hinsichtlich der vorab definierten Strömungs- sowie mechanischen Eigenschaften.
-
Schaufeln mit speziellen Abtragraten, z. B. im Bereich der Vorderkante, können erfindungsgemäß gezielt geometrisch verändert werden (z.B. Fräsen, Schleifen), so dass zum einen eine neue Kontur entsteht, die eine ausreichende Betriebssicherheit in der statischen und dynamischen Festigkeit gewährleistet, zum anderen wird die Schaufel so konstruiert, dass der Leistungs- und Wirkungsgradverlust minimiert wird.
-
Die Erfindung sieht daher fertige Reparaturlösungen vor, die für bestimmte Befunde vordefinierte Schaufelgeometrien aufzeigt. Diese Schaufelgeometrien weichen von der Originalkontur ab, sind jedoch mechanisch und aerodynamisch optimiert. Die modifizierte Geometrie kann typischerweise durch ein Fräs- oder Schleifverfahren hergestellt werden.
-
Auf Basis des zumindest einen maßlich erfassten Erosionsbereichs an der Schaufel wird mittels CAD-Verfahren zunächst graphisch eine neue Eintritts- bzw. Austrittskantenkontur in erster Näherung festgelegt. Anschließend wird die neue Kontur in einem weiteren Schritt rechnergestützt bzgl. der Strömungs- sowie mechanischen Eigenschaft (statisch/dynamisch) überprüft und die Kontur diesbezüglich, falls erforderlich, optimiert. Für die finale Geometrie des modifizierten Blattes werden abschließend Fertigungszeichnungen erstellt, die eine definierte Bearbeitung der Schaufeln zulassen.
-
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
-
Bevorzugt wird die Schaufel vor dem Messen ausgebaut. In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt das Messen des zumindest einen Erosionsbereichs mit speziellen Schablonen. Alternativ oder zusätzlich kann das Messen mit handelsüblichen Messmitteln, insbesondere Maßband und Messschieber, erfolgen. Dieses Messen kann beispielsweise manuell durchgeführt werden, so dass hier wenig Vorbereitung oder Aufwand notwendig ist.
-
Auch kann das Messen durch einen Scan durchgeführt werden. Hier kann der Scan als ein optischer 3D-Scan mittels einem 3D-Scan-Verfahren durchgeführt werden. Dazu kann die ausgebaute Schaufel unter einen Scanner gelegt werden oder ein Scangerät kann manuell über die Schaufel bzw. des Erosionsbereichs gefahren werden.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird zusätzlich das Messen optisch dokumentiert, insbesondere durch eine Fotodokumentation, so dass die erforderliche Materialabnahme verbessert festgelegt wird. Auch eine andere optische Dokumentation ist möglich.
-
Bevorzugt wird der ganze Erosionsbereich vermessen. Somit ist eine bessere Bestimmung des Erosionsbereichs möglich.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird das graphische Festlegen einer neuen Kontur auf Basis des zumindest einen maßlich erfassten Erosionsbereichs mittels CAD-Verfahren in erster Näherung durchgeführt. Auch andere Verfahren können jedoch zum Einsatz kommen.
-
In bevorzugter Ausgestaltung werden die Strömungseigenschaften mit einem Strömungslöser, welcher für numerische Strömungssimulationen herangezogen werden kann, berechnet.
-
In bevorzugter Ausgestaltung werden die mechanischen Eigenschaften mittels Finite-Elemente-Methode berechnet. Auch andere Rechenmethoden können jedoch angewendet werden.
-
Bevorzugt ist das spanende Fertigungsverfahren ein zerspanendes Verfahren, insbesondere Schleifen oder Fräsen. Selbstverständlich sind auch alle anderen spanenden Fertigungsverfahren möglich.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird als Qualitätskontrolle der Schaufel zumindest eine Frequenzmessung durchgeführt. Freistehende Niederdruckschaufeln sind Frequenz-abgestimmt, damit sie nicht in Resonanz geraten. Dies würde in kürzester Zeit zum Versagen der Schaufel führen. Da die Modifizierung der Schaufel eine Änderung der Frequenzen zur Folge hat, muss durch die Frequenzmessung sichergestellt werden, dass diese im Bereich des Zulässigen sind. Der zulässige Bereich wird u.a. mittels der zuvor genannten Finite-Elemente-Methode berechnet.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird als Qualitätskontrolle der Schaufel zumindest eine Rissprüfung durchgeführt. Die Rissprüfung wird durchgeführt, um Materialfehlstellen festzustellen, die evtl. ursprünglich im Inneren der Schaufel bzw. des Schaufelblattes lagen und nun durch das Bearbeiten an die Oberfläche treten.
-
Bevorzugt wird als Qualitätskontrolle der Schaufel zumindest ein Wiegen des statischen Momentes durchgeführt. Das statische Moment einer Schaufel wird gewogen, um eine möglichst unwuchtfreie Verteilung der Schaufeln innerhalb einer Laufreihe vornehmen zu können und den final beschaufelten Läufer problemlos feinwuchten zu können.
-
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigen schematisch:
-
1: zeigt eine unbelastete Schaufel in der Seitenansicht,
-
2: zeigt eine Draufsicht auf ein Profil einer unbelasteten Schaufel,
-
3: zeigt eine erosionsbehaftete Schaufel in der Seitenansicht,
-
4: zeigt eine Draufsicht auf ein Profil einer erosionsbehafteten Schaufel,
-
5: zeigt eine rekonturierte Schaufel in der Seitenansicht,
-
6: zeigt eine Draufsicht auf ein Profil einer rekonturierten Schaufel,
-
7: schematisch das erfindungsgemäße Verfahren.
-
1 zeigt eine unbelastete Schaufel 1 in der Seitenansicht, beispielsweise einer neu eingebauten Schaufel 1. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Profil dieser unbelasteten Schaufel 1. Verschleißerscheinungen äußern sich bei den eingesetzten Schaufeln vor allem in einem Abtrag des Oberflächenmaterials. 3 zeigt eine verschleißbehaftete Schaufel 2, wobei sich der Verschleiß 3 in einem Abtrag des Oberflächenmaterials äußert. Der Verschleiß 3 ist vor allem eine Vorderkantenerosion als auch eine Hinterkantenerosion. Dieser Abtrag ist ungefährlich, solange die mechanische Integrität nicht gefährdet wird. Bei Dampfturbinenschaufeln kommt es bei großen Abtragraten zu einer Frequenzänderung. Außerdem kommt es zu Rissbildungen. In solchen Fällen muss die Schaufel durch eine Ersatzschaufel getauscht oder sehr aufwendig saniert werden. Dieses Problem wird durch die Erfindung vereinfacht gelöst.
-
Dazu werden erfindungsgemäß in einem ersten Schritt 11 (7) die Erosionsbereiche 3 (3, 4) gemessen. 3 zeigt eine erosionsbehaftete Schaufel 2 in der Seitenansicht und 4 eine Draufsicht auf ein Profil einer erosionsbehafteten Schaufel 2.
-
Dazu kann die Schaufel 2 ausgebaut werden. Das Messen kann an vordefinierten Stellen oder über den gesamten Bereich erfolgen. Das Messen kann mittels spezieller Schablonen erfolgen, aber auch mit handelsüblichen Messmitteln wie Maßband und Messschieber. Eine begleitende Fotodokumentation hilft ebenfalls bei der Auswertung der Messwerte und zur Festlegung der erforderlichen Materialabnahme. Ein optisches Vermessen der Erosion mittels 3D-Scan-Verfahren ist jedoch auch denkbar. Im zweiten Schritt 12 (7) wird ein Festlegen der erfassten Erosionsbereiche 3 (3, 4) an der Schaufel 2 bzw. am Schaufelblatt zunächst graphisch durch Erstellen einer neuen Kontur, insbesondere einer neuen Eintritts- bzw. Austrittskantenkontur z.B. in erster Näherung mittels CAD-Verfahren vorgenommen. So kann beispielsweise die Eintritts- bzw. Austrittskantenkontur so erstellt werden, dass diese glatt ist, so dass eine verbesserte Strömung möglich ist. Im dritten Schritt 13 (7) wird ein Überprüfen der neuen Kontur rechnergestützt bzgl. der Strömungs- sowie mechanischen, vor allem der statischen/dynamischen, Eigenschaften durchgeführt. Die Strömungseigenschaften werden mit einem Strömungslöser berechnet, die mechanischen Eigenschaften mittels Finite-Elemente-Methode. Im vierten Schritt 14 (7) werden für die finale Geometrie der modifizierten Schaufel 4 (5, 6) abschließend Fertigungszeichnungen erstellt, die eine definierte Bearbeitung der Schaufel 2 sicherstellen. Im fünften Schritt 15 (7) wird die Schaufel 2 bzw. das Schaufelblatt durch Schleifen, und Fräsen anhand der Fertigungszeichnung bearbeitet, um eine rekonturierte Schaufel 4 (5, 6) zu erstellen. Die rekonturierte Schaufel 4 (5, 6 durchgezogene Linie) wird in einem sechsten Schritt 16 (7) einer Frequenzmessung, Rissprüfung und einem Wiegen des statischen Momentes unterzogen. Freistehende Niederdruckschaufeln sind Frequenz-abgestimmt, damit sie nicht in Resonanz geraten. Dies würde in kürzester Zeit zum Versagen der Schaufel führen. Da die Modifizierung der Schaufel 1 (1) eine Änderung der Frequenzen zur Folge hat, muss durch die Frequenzmessung sichergestellt werden, dass diese im Bereich des Zulässigen sind. Der zulässige Bereich wird u.a. mittels einer Finite-Elemente-Methode berechnet. Die Rissprüfung wird dabei durchgeführt, um Materialfehlstellen festzustellen, die evtl. ursprünglich im Inneren der Schaufel lagen und nun durch das Bearbeiten an die Oberfläche treten. Das statische Moment einer Schaufel wird gewogen, um eine möglichst unwuchtfreie Verteilung der Schaufeln innerhalb einer Laufreihe vornehmen zu können und den final beschaufelten Läufer problemlos feinwuchten zu können.
-
Zusammenfassend legt die Erfindung auf Basis der maßlich erfassten Erosionsbereiche der Schaufel mittels CAD-Verfahren zunächst graphisch eine neue Eintritts- bzw. Austrittskantenkontur in erster Näherung fest. Anschließend wird die neue Kontur in einem weiteren Schritt rechnergestützt bzgl. der Strömungs- sowie mechanischen Eigenschaft (statisch/dynamisch) überprüft und die Kontur diesbezüglich, falls erforderlich, optimiert. Für die finale Geometrie der modifizierten Schaufel werden abschließend Fertigungszeichnungen erstellt, die eine definierte Bearbeitung der Schaufeln zulassen. Anschließend wird die Schaufel 4 (5, 6) gefertigt.
-
Somit wird vermieden, dass beschädigte Schaufeln getauscht oder durch ein Schweißverfahren aufwendig saniert werden müssen. Dies ist sehr aufwendig, da oftmals im Vorfeld nicht bekannt ist, welche Schädigung bzw. welcher Schädigungsgrad an der Schaufel vorliegt. Die Erfindung bietet daher eine sofort und kostengünstig anwendbare Lösung. Die Erfindung sieht daher fertige Reparaturlösungen vor, die für bestimmte Befunde vordefinierte Schaufelblattgeometrien aufzeigen. Diese Blattgeometrien weichen von der Originalkontur ab, sind jedoch mechanisch und aerodynamisch optimiert. Die modifizierte Geometrie kann typischerweise durch ein Fräs- oder Schleifverfahren hergestellt werden. Die neue Kontur der Schaufel gewährleistet erneut eine ausreichende Betriebssicherheit in der statischen und dynamischen Festigkeit. Zum anderen wird die Schaufel so konstruiert, dass der Leistungs- bzw. Wirkungsgradverlust minimiert wird.
