DE102014209847A1

DE102014209847A1 - Verfahren zur Reparatur eines Schaufelblattes

Info

Publication number: DE102014209847A1
Application number: DE102014209847.5A
Authority: DE
Inventors: Roman Kalocsay; Nikolai Arjakine; Georg Bostanjoglo; Bernd Burbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26
Also published as: CN106457487A; RU2016146264A; KR20160145180A; RU2016146264A3; WO2015176923A1; US20170080529A1; EP3113901A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Schaufelblattes (9) einer Axialturbomaschine, bei dem auf das Schaufelblatt (9) mittels Auftragsschweißen Material aufgetragen wird, wobei das Schaufelblatt (9) während des Auftragsschweißens gekühlt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Kühlmanschette (1) mit zumindest einem Kühlkanal (5), der einen Kühlmitteleinlass (6) und einen Kühlmittelauslass (7) aufweist und im bestimmungsgemäßen Zustand von einem Kühlmittel durchströmt wird, und mehreren entlang eines Innenumfangs der Kühlmanschette (1) und angrenzend an den zumindest einen Kühlkanal (5) angeordneten Kühlelementen (8), die im bestimmungsgemäßen Zustand an einem zu kühlenden Objekt anliegen, insbesondere an einem zu kühlenden Schaufelblatt (9).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Schaufelblattes einer Axialturbomaschine, bei dem auf das Schaufelblatt mittels Aufschweißen Material aufgetragen wird.
Schaufelblätter von Axialturbomaschinen, wie beispielsweise die Laufschaufeln von Gasturbinen, werden während des Betriebs häufig sehr hohen Temperaturen und starken thermischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesem Grund werden Schaufelblätter aus hochfesten Materialen hergestellt, wie beispielsweise aus Nickelbasis-Superlegierung. Trotz solcher hochfesten Werkstoffe kann allerdings ein Verschleiß der Schaufelblätter in Folge von Oxidation, thermischer Ermüdungsrissbildung, Metallerosion oder dergleichen nicht verhindert werden. Entsprechend müssen die Schaufelblätter in regelmäßigen Abständen gewartet und im Falle eines Verschleißes ausgetauscht oder repariert werden.
Zur Reparatur von Schaufelblättern existieren verschiedenste Reparaturverfahren bei denen Material auf verschlissene oder auf zuvor mechanisch abgetragene abgetragene Bereiche eines Schaufelblattes mittels Auftragsschweißen aufgetragen wird. Zum Einsatz kommen hier beispielsweise das Laserauftragsschweißen und das Plasma-Pulverauftragsschweißen, um nur einige Beispiele zu nennen. Der aufgetragene Werkstoff kann dem ursprünglichen Werkstoff entsprechen. Alternativ kann aber auch ein anderes hochfestes Material aufgetragen werden.
Ein Problem bei bekannten Reparaturverfahren besteht darin, dass mit dem Auftragsschweißen Wärme in das zur reparierende Schaufelblatt eingebracht wird, wodurch Schweißeigenspannungen im Bauteil hervorgerufen werden, die unter anderem zu Rissen führen können. Eine Möglichkeit, solchen Schweißeigenspannungen zu begegnen, besteht beispielsweise darin, das Bauteil vor dem Schweißen vorzuwärmen, wodurch Schweißeigenspannungen durch Erholung während des Schweißprozesses verringert werden. Alternativ können Schweißverfahren gewählt werden, bei denen vergleichsweise wenig Wärme in das Substrat eingebracht wird, wie beispielsweise das Laserauftragsschweißen, um nur ein Beispiel zu nennen. Ein weiteres Problem bekannter Reparaturverfahren besteht darin, dass, wenn mehrere Materialschichten übereinander aufgetragen werden sollen, die zuvor generierte Materialschicht erst abkühlen muss, um die Prozessbedingungen konstant zu halten, was mit langen Wartezeiten einher geht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Reparatur eines Schaufelblattes einer Axialturbomaschine der eingangs genannten Art zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schaufelblatt während des Auftragsschweißens gekühlt wird. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Kühlens während des Auftragsschweißens besteht darin, dass die durch den Schweißprozess in das Bauteil eingebrachte Wärme schnell abgeleitet wird, was zu sehr konstanten Prozessbedingungen führt. Darüber hinaus können Wartezeiten zwischen den Schweißen übereinander angeordneter Schweißlagen vermieden werden.
Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während des Auftragsschweißens Seitenwandbereiche des Schaufelblattes gekühlt. Entsprechend kann eine großflächige und effiziente Kühlung erzielt werden.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Material zumindest auf die Schaufelspitze aufgetragen. Auf diese Weise können beispielsweise Beschädigungen an der Schaufelspitze beseitigt werden, die auf einen betriebsbedingten Kontakt der Schaufelspitze mit einer stationären Dichtung oder einem stationären Gehäuse zurückzuführen sind.
Bevorzugt werden während des Auftragsschweißens benachbarte zur Schaufelspitze angeordnete Seitenwandbereiche des Schaufelblattes gekühlt. Entsprechend wird während eines Materialauftrags auf die Schaufelspitze eine sehr effiziente Kühlung erzielt.
Vorteilhaft wird das Material bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Mikropulverauftragsschweißen aufgetragen, das auch als Micro-Cladding bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird ein kontinuierlicher Pulverstrom unter Verwendung eines fokussierten Lasers, insbesondere eines Faserlasers, auf dem Substrat aufgeschmolzen, wodurch schichtweise flächige Beschichtungen oder auch gezielte Strukturen hergestellt werden können. Ein wesentlicher Vorteil des Mikropulverauftragsschweißens besteht darin, dass nur wenig Wärme in das Bauteil eingebracht wird, weshalb kaum Spannungen auftreten. Darüber hinaus ist der realisierbare Materialauftrag sehr genau, weshalb sich an den Materialauftrag nur geringfügige Nacharbeiten anschließen.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Kühlmanschette, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Kühlmanschette umfasst zumindest einen Kühlkanal, der einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist und im bestimmungsgemäßen Zustand von einem Kühlmittel durchströmt wird, sowie mehrere entlang einer Innenwandung der Kühlmanschette und benachbart zu dem zumindest einen Kühlkanal angeordnete Kühlelemente, die im bestimmungsgemäßen Zustand an einem zu kühlenden Objekt anliegen. Eine derartige Kühlmanschette kann problemlos am Umfang eines zu kühlenden Objektes angeordnet werden und eine effektive Kühlung über die durch das den zumindest einen Kühlkanal durchströmende Kühlmittel gekühlten Kühlelemente bewirken.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Kühlelemente beweglich an der Kühlmanschette gehalten. Auf diese Weise wird eine Ausrichtung der Kühlelemente relativ zu einem zu kühlenden Objekt ermöglicht, wodurch ein guter Kontakt zwischen den Kühlelementen und dem zu kühlenden Objekt und dementsprechend ein guter Wärmeübergang gewährleistet werden kann.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Variante sind zwischen den jeweiligen Kühlelementen flexible Dichtungselemente angeordnet, die eine Bewegung der Kühlelemente ermöglichen. Zugleich verhindern die Dichtelemente, dass das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel zwischen den Kühlelementen austritt.
Die Kühlelemente sind bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus Aluminium. Metallische Werkstoffe und insbesondere Aluminium zeichnen sich durch ihre gute Wärmeleitfähigkeit aus.
Vorteilhaft sind die Anordnung, die Anzahl und die Form der Kühlelemente an die Außenkontur eines zu kühlenden Schaufelblattes angepasst, insbesondere an die Außenkontur von benachbart zur Schaufelspitze angeordneten Seitenwandbereichen des Schaufelblattes. Mit anderen Worten ist die Kühlmanschette bevorzugt zur Kühlung von Seitenwandbereichen eines Schaufelblattes einer Turbomaschine ausgelegt, insbesondere zur Kühlung einer Leitschaufel einer Gasturbine.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein den zumindest ein Kühlkanal definierendes und die Kühlelemente aufnehmendes Gehäuse vorgesehen.
Das Gehäuse ist bevorzugt mit einer Spanneinrichtung versehen, die derart ausgebildet ist, dass sie die Kühlelemente im bestimmungsgemäßen Zustand gegen das zu kühlende Objekt drückt. Zum einen wird auf diese Weise ein guter Wärmeübergang zwischen den Kühlelementen und dem zu kühlenden Objekt gewährleistet. Zum anderen kann die Kühlmanschette auf ein zu kühlendes Objekt aufgeschoben und anschließend unter Betätigung der Spanneinrichtung fest an diesem fixiert werden.
Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse in Umfangsrichtung in zwei den Kühlkanal unterteilende Gehäuseabschnitte unterteilt, die über ein elastisches, einen Kühlmitteldurchlass definierendes Verbindungselement miteinander verbunden sind, wobei die Spanneinrichtung freie Enden der Gehäuseabschnitte miteinander verbindet.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Kühlmanschette gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
1 eine schematische geschnittene Draufsicht einer Kühlmanschette gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Teilansicht der in 5 1 gezeigten Kühlmanschette in Richtung des Pfeils II in 1 und
3 eine schematische perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Kühlmanschette, die an einem zu kühlenden Schaufelblatt angeordnet ist.
Die Figuren zeigen eine Kühlmanschette 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kühlmanschette 1 umfasst ein längliches, sich nierenartig erstreckendes Gehäuse 2 mit einander gegenüberliegenden freien Gehäuseenden 3 und 4. In dem Gehäuse 2 erstreckt sich ein Kühlkanal 5, der an dem einen freien Gehäuseende 3 mit einem Kühlmitteleinlass 6 und an dem anderen freien Gehäuseende 4 mit einem Kühlmittelauslass 7 versehen ist. Die Kühlmanschette 1 umfasst ferner mehrere entlang einer Innenwandung der Kühlmanschette 1 und angrenzend an den Kühlkanal 5 angeordnete Kühlelemente 8, die im bestimmungsgemäßen Zustand an einem Schaufelblatt 9 einer Turbomaschine anliegen, wie es nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Kühlelemente 8 sind aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus Aluminium, welches sich durch seine gute Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Zwischen den jeweiligen Kühlelementen 8 sind flexible Dichtungselemente 10 angeordnet, die einerseits die Zwischenräume zwischen den Kühlelementen 8 abdichten, um zu verhindern, dass ein durch den Kühlkanal 5 geleitetes Kühlmittel durch diese Zwischenräume austritt. Andererseits verleihen die Dichtungselemente 10, welche die Kühlelemente 8 umfänglich umgeben, den Kühlelementen 8 eine gewisse Beweglichkeit. Die Anordnung, die Anzahl und die Form der Kühlelemente 8 sind an die Außenkontur des zu kühlenden Schaufelblattes 9 angepasst, genauer gesagt an die Außenkontur von benachbart zur Schaufelspitze 11 angeordneten Seitenwandbereichen 12 des Schaufelblattes 9. Das Gehäuse 2 ist in Umfangsrichtung etwa mittig in zwei den Kühlkanal 5 unterteilende Gehäuseabschnitte 2a, 2b unterteilt, die über ein elastisches, einen Kühlmitteldurchlass 13 definierendes Verbindungselement 14 miteinander verbunden sind. Dank der Elastizität des Verbindungselementes 14 können die Gehäuseabschnitte 2a und 2b in gewissen Grenzen in Richtung der Pfeile A und B relativ zueinander bewegt werden. Die freien Gehäuseenden 3 und 4 sind durch eine Spanneinrichtung 15 miteinander verbunden. Die Spanneinrichtung 15 umfasst einen Spannhebel 16 und eine sich zwischen den Gehäuseenden 3 und 4 erstreckende Feder 17 und ist derart ausgebildet, dass die Gehäuseenden 3 und 4 bei Betätigung des Spannhebels 16 gegen die Kraft der Feder 17 aufeinander zu und unterstützt von der Kraft der Feder 17 voneinander weg bewegt werden können.
Die Kühlmanschette 1 dient dazu, die Seitenwandbereiche 12 eines Schaufelblattes 9 zu kühlen, während im Rahmen eines Reparaturverfahrens auf die Schaufelspitze 11 des Schaufelblattes 9 mittels Auftragsschweißen Material aufgetragen wird.
Zur Durchführung des Verfahrens wird die Kühlmanschette 1 in einem ersten Schritt an dem Schaufelblatt 9 montiert. Hierzu wird der Spannhebel 16 der Spanneinrichtung 15 gelöst, so dass die Kühlmanschette 1 von oben auf das Schaufelblatt 9 aufgeschoben werden kann. Die Kühlmanschette 1 wird dabei derart positioniert, dass die Kühlelemente 8 mit den benachbart zur Schaufelspitze 11 angeordneten Seitenwandbereichen 12 des Schaufelblattes 9 in Eingriff kommen. Sobald die Kühlmanschette 1 an ihrer bestimmungsgemäßen Position angeordnet ist, wird die Spanneinrichtung 15 unter Betätigung des Spannhebels 16 entgegen der Kraft der Feder 17 gespannt, wie es in 3 gezeigt ist, so dass die einzelnen Kühlelemente 8 gegen die gegenüberliegenden Abschnitte der Seitenwandbereiche 12 des Schaufelblattes 9 gedrückt werden. Dank der Flexibilität der die Kühlelemente 8 einfasssenden Dichtungselemente werden die Kühlelemente 8 im Rahmen dieses Spannvorgangs automatisch optimal in Bezug auf die Außenkontur der Seitenwandbereiche 12 ausgerichtet, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen dem Schaufelblatt 9 und den Kühlelementen 8 gewährleistet wird.
In einem weiteren Schritt wird dem Kühlkanal 5 über den Kühlmitteleinlass 6 ein Kühlmittel zugeführt, das den Kühlkanal 5 durchströmt und durch den Kühlmittelauslass 7 aus der Kühlmanschette 1 wieder austritt.
Nunmehr wird das Schaufelblattreparaturverfahren durchgeführt. Hierbei wird mittels Mikropulverauftragsschweißen Material auf die Schaufelspitze 11 des Schaufelblattes 9 aufgetragen. Die Wärme, die dem Schaufelblatt 9 während des Schweißprozesses zugeführt wird, wird von den Seitenwandbereichen 12 des Schaufelblattes 9 über die Kühlelemente 8 an das durch den Kühlkanal 5 strömende Kühlmittel übertragen und abgeführt.
Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Kühlens während des Auftragsschweißens besteht darin, dass die durch den Schweißprozess in das Bauteil eingebrachte Wärme schneller abgeleitet wird, was zu sehr konstanten Prozessbedingungen führt.
Darüber hinaus können Wartezeiten zwischen dem Schweißen übereinander angeordneter Schweißlagen vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Kühlmanschette 1 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese einen einfachen, preiswerten und wenig Bauraum einnehmenden Aufbau aufweist. Entsprechend kann die Kühlmanschette 1 problemlos transportiert und flexibel eingesetzt werden. Auch die Durchführung eines Reparaturverfahrens eines noch eingebauten Schaufelblattes 9 in situ ist unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlmanschette 1 möglich.
Das erfindungsgemäße Reparaturverfahren wird bevorzugt unter Einsatz des Mikropulverauftragsschweißens durchgeführt. Ein wesentlicher Vorteil des Mikropulverauftragsschweißens besteht darin, dass nur wenig Wärme in das Bauteil eingebracht wird, die über die Kühlmanschette problemlos abgeführt werden kann, weshalb kaum Spannungen auftreten. Darüber hinaus ist der realisierbare Materialauftrag sehr genau, weshalb sich an den Materialauftrag nur geringfügige Nacharbeiten anschließen.
Für den Materialauftrag können unterschiedlichste Materialien gewählt werden. So kann es sich bei dem aufgetragenen Material beispielsweise um ein Basismaterial des Schaufelblattes, um eine Schutzbeschichtung oder dergleichen handeln. Geeignete Materialen sin dem Fachmann hinlänglich bekannt, weshalb hierauf nicht näher eingegangen wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Reparatur eines Schaufelblattes (9) einer Axialturbomaschine, bei dem auf das Schaufelblatt (9) mittels Auftragsschweißen Material aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (9) während des Auftragsschweißens gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Auftragsschweißens Seitenwandbereiche (12) des Schaufelblattes (9) gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Material zumindest auf die Schaufelspitze (11) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Auftragsschweißens benachbart zur Schaufelspitze (11) angeordnete Seitenwandbereiche (12) des Schaufelblattes gekühlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mittels Mikropulverauftragsschweißen aufgetragen wird.
Kühlmanschette (1) mit zumindest einem Kühlkanal (5), der einen Kühlmitteleinlass (6) und einen Kühlmittelauslass (7) aufweist und im bestimmungsgemäßen Zustand von einem Kühlmittel durchströmt wird, und mehreren entlang einer Innenwandung der Kühlmanschette (1) und angrenzend an den zumindest einen Kühlkanal (5) angeordneten Kühlelementen (8), die im bestimmungsgemäßen Zustand an einem zu kühlenden Objekt anliegen.
Kühlmanschette (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (8) beweglich gehalten sind.
Kühlmanschette (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den jeweiligen Kühlelementen (8) flexible Dichtungselemente angeordnet sind, die eine Bewegung der Kühlelemente ermöglichen.
Kühlmanschette (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (8) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind, insbesondere aus Aluminium.
Kühlmanschette (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung, die Anzahl und die Form der Kühlelemente (8) an die Außenkontur eines zu kühlenden Schaufelblattes (9) angepasst sind, insbesondere an die Außenkontur von benachbart zur Schaufelspitze (11) angeordneten Seitenwandbereichen (12).
Kühlmanschette (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein den zumindest einen Kühlkanal (5) definierendes und die Kühlelemente (8) aufnehmendes Gehäuse (2) vorgesehen ist.
Kühlmanschette (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mit einer Spanneinrichtung (15) versehen ist, die derart ausgebildet ist, dass sie die Kühlelemente (8) im bestimmungsgemäßen Zustand gegen das zu kühlendes Objekt drückt.
Kühlmanschette (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) in Umfangsrichtung in zwei den Kühlkanal (5) unterteilende Gehäuseabschnitte (2a, 2b) unterteil ist, die über ein elastisches, einen Kühlmitteldurchlass (13) definierendes Verbindungselement (14) miteinander verbunden sind, und dass die Spanneinrichtung (15) an freie Enden der Gehäuseabschnitte (2a, 2b) miteinander verbindet.