DE102015200405A1

DE102015200405A1 - Verfahren zur Reparatur einer Plattform einesSchaufelsegments

Info

Publication number: DE102015200405A1
Application number: DE102015200405.8A
Authority: DE
Inventors: Fathi Ahmad; Matthias Kuhlee; Britta Laux; Radan Radulovic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Plattform (3) eines Schaufelsegments (1), insbesondere eines Turbinenschaufelsegments, das die Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Schaufelsegments (1), dessen Plattform (3) zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitt (4) aufweist; b) Entfernen des zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitts (4) unter Bildung einer Aussparung (5); c) Bereitstellen eines Ersatzteils (6; 10), dessen Abmessungen im Wesentlichen den Abmessungen der Aussparung (5) entsprechen; d) Positionieren und Vorfixieren des Ersatzteils (6; 10) an der Plattform (3) im Bereich des entfernten Seitenkantenabschnitts (4), wobei zumindest ein von dem Ersatzteil (6; 10) vorstehender Befestigungsstift (7) in eine korrespondierende, im Bereich der Aussparung (5) ausgebildete Aufnahmeöffnung (8) eingesetzt wird; und Verbindungsschweißen oder Verbindungslöten des Ersatzteils (6; 10) und der Plattform (3) entlang einander gegenüber angeordneten Stoßflächen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Plattform eines Schaufelsegments, insbesondere eines Turbinenschaufelsegments.
Schaufelsegmente der eingangs genannten Art, wie sie insbesondere in Turbinen eingesetzt werden, sind während des Betriebs extremen Bedingungen ausgesetzt, was mit einem hohen Verschleiß einhergeht, der insbesondere durch Oxidation hervorgerufen wird. Dieser Verschleiß betrifft besonders die einander zugewandten Seitenkantenabschnitte der Plattformen benachbart angeordneter Schaufelsegmente. Im Ergebnis müssen die Plattformen von Schaufelsegmenten in regelmäßigen Abständen Instand gesetzt werden, um die Lebensdauer der Schaufelsegmente zu verlängern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reparatur einer Plattform eines Schaufelsegments zu schaffen, das sich einfach durchführen lässt und mit dem gute Ergebnisse bezüglich der Erhöhung der Lebensdauer eines Schaufelsegments erzielbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Schaufelsegments, dessen Plattform zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitt aufweist; b) Entfernen des zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitts unter Bildung einer Aussparung; c) Bereitstellen eines Ersatzteils, dessen Abmessungen im Wesentlichen den Abmessungen der Aussparung entsprechen; d) Positionieren und Vorfixieren des Ersatzteils an der Plattform im Bereich des entfernten Seitenkantenabschnitts, wobei zumindest ein von dem Ersatzteil vorstehender Befestigungsstift in eine korrespondierende, im Bereich der Aussparung ausgebildete Aufnahmeöffnung eingesetzt wird; und e) Verbindungsschweißen oder Verbindungslöten des Ersatzteils und der Plattform entlang einander gegenüber angeordneten Stoßflächen.
Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein verschlissener Seitenkantenabschnitt einer Plattform durch einen neuen Seitenkantenabschnitt in Form des Ersatzteils ersetzt, das stoffschlüssig mit der Plattform verbunden wird. Durch das Einsetzten des zumindest einen von dem Ersatzteil vorstehenden Befestigungsstiftes in die im Bereich des entfernten Seitenkantenabschnitts ausgebildete Aufnahmeöffnung wird zum einen eine mechanische Vorpositionierung erzielt, welche die sich anschließende Fügeoperation erleichtert. Zum anderen verhindert die mechanische Befestigung, dass sich das Ersatzteil während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Schaufelsegments ohne weiteres ablösen kann, sollte die in Schritt e) erzeugte stoffschlüssige Verbindung versagen, wodurch einer Beschädigung stromabwärts angeordneter Turbinenstufen durch ein abgelöstes Ersatzteil entgegengewirkt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist/sind das Schaufelsegment und/oder das Ersatzteil aus einer Nickelbasis-Superlegierung hergestellt, insbesondere aus RENE 80, Alloy 247 oder IN 939. Derartige Nickelbasis-Superlegierungen weisen hervorragende Hochtemperatureigenschaften auf.
Bevorzugt ist die Stoßfläche des Ersatzteils mit einer Schweiß- oder Lötzusatzwerkstoff aufweisenden Beschichtung versehen.
Vorteilhaft handelt es sich bei dieser Beschichtung um eine Pre-Sintered-Preform (PSP), die bevorzugt eine Nickelbasis-Superlegierung, insbesondere RENE 80 aufweist. Versuche haben ergeben, dass, wenn der Schaufelfuß, das Ersatzteil und die Beschichtung dieselben Nickelbasis-Superlegierungen aufweisen, mittels Umschmelzen in Schritt e) den geschmolzen Bereichen sehr gute Hochtemperatureigenschaften verliehen werden können, was dazu führt, dass ein Versagen des reparierten Schaufelsegments an der Fügestelle nicht zu erwarten ist.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt/erfolgen das Entfernen des zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitts in Schritt b) und/oder das Herstellen der zumindest einen Aufnahmeöffnung wenigstens teilweise mittels Funkenerodieren. Die Funkenerosion ist insbesondere bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe von Vorteil, bei denen mechanische Bearbeitungsverfahren an ihre Grenzen stoßen.
Bevorzugt wird das Verbindungsschweißen oder Verbindungslöten in Schritt e) unter Einsatz eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls durchgeführt. Beide Varianten zeichnen sich dadurch aus, dass die Wärmeenergie sehr lokal im Bereich der Stoßfuge eingebracht werden kann, wodurch ein nennenswerter Bauteilverzug vermieden werden kann.
Vorteilhaft ist der zumindest eine Befestigungsstift einteilig mit dem Ersatzteil ausgebildet, was insbesondere der Festigkeit zuträglich ist.
Der zumindest eine Befestigungsstift kann erfindungsgemäß einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Ovale oder polygonale Querschnitte sind gegenüber runden Querschnitten insbesondere dann von Vorteil, wenn das Ersatzteil mit nur einem einzelnen Befestigungsstift versehen ist, da sie ein Verdrehen des Befestigungsstiftes innerhalb der zugeordneten Aufnahmeöffnung verhindern.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Ersatzteil an derjenigen Seite, die im bestimmungsgemäß montierten Zustand des Schaufelsegments zur Plattform eines benachbart angeordneten Schaufelsegments weist, mit einer Nut zur Aufnahme einer Dichtplatte versehen. Die Anordnung einer solchen Dichtplatte zwischen zwei Plattformen benachbart angeordneter Schaufelsegmente dient während des bestimmungsgemäßen Betriebs als weitere Sicherung gegen ein Ablösen des Ersatzteils im Falle eines Versagens der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Ersatzteil und Plattform.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
1 eine schematische perspektivische Teilansicht eines Schaufelsegments in einem Zustand, in dem ein Seitenkantenabschnitt einer Plattform des Schaufelsegments verschlissen ist;
2 eine schematische perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Anordnung in einem Zustand, in dem der verschlissene Seitenkantenabschnitt entfernt und durch ein Ersatzteil ersetzt wird; und
3 eine schematische perspektivische Teilansicht der in 2 dargestellten Anordnung, die ein Ersatzteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt ein Schaufelsegment 1, das einteilig aus einer polykristallin erstarrten Nickelbasis-Superlegierung mit großem Anteil an intermetallischer Phase (γ’) hergestellt ist, vorliegend aus RENE 80. Das Schaufelsegment 1 umfasst eine Schaufel 2 und eine untere Plattform 3, wobei ein Seitenkantenabschnitt 4 der Plattform 3 verschlissen ist.
Zur Reparatur der Plattform 3 des Schaufelsegments 1 wird, wie es in 2 dargestellt ist, in einem ersten Schritt zunächst der verschlissene Seitenkantenabschnitt 4 entfernt und auf diese Weise eine Aussparung 5 mit definierten Abmessungen erzeugt. Das Entfernen des verschlissenen Seitenkantenabschnitts 4 kann beispielsweise unter Einsatz eines spanabhebenden Verfahrens erfolgen, beispielsweise mittels Fräsen oder Schleifen. Alternativ kann aber auch ein Funkenerosionsverfahren eingesetzt werden, was aufgrund der hohen Härte des Werkstoffes, aus dem das Schaufelsegment 1 besteht, bevorzugt wird.
In einem weiteren Schritt wird ein Ersatzteil 6 bereitgestellt, dessen Abmessungen im Wesentlichen den Abmessungen des entfernten Seitenkantenabschnitts 4 bzw. der erzeugten Aussparung 5 entsprechen. Das Ersatzteil 6 ist vorteilhaft aus derselben Nickelbasis-Superlegierung hergestellt wie das Schaufelsegment 1, vorliegend also aus RENE 80. Das Ersatzteil 6 umfasst zwei Befestigungsstifte 7 mit kreisrundem Querschnitt, die in Richtung des entfernten Seitenkantenabschnitts 4 vorstehen. Passend zu den Befestigungsstiften 7 werden in der Plattform 3 im Bereich des entfernten Seitenkantenabschnitts 4 zwei Aufnahmeöffnungen 8 mit korrespondierenden Abmessungen ausgebildet, die zur Aufnahme der Befestigungsstifte 7 dienen. Die Herstellung der Aufnahmeöffnungen 8 kann beispielsweise mittels Bohren erfolgen. Wird der verschlissene Seitenkantenabschnitt 4 der Plattform 3 unter Verwendung eines Funkenerosionsverfahrens entfernt, so können die Aufnahmeöffnungen 8 grundsätzlich auch zeitgleich mittels Funkenerosion gefertigt werden. Die Stoßfläche des Ersatzteils 6, an der auch die Befestigungsstifte 7 angeordnet sind, ist mit einer einen Schweißzusatzwerkstoff aufweisenden Beschichtung 9 versehen, bei der es sich um eine Pre-Sintered-Preform (PSP) handelt, die ebenfalls eine den Werkstoffen des Schaufelsegments 1 und des Ersatzteils 6 entsprechende Nickelbasis-Superlegierung umfasst, vorliegend RENE80.
In einem weiteren Schritt wird das Ersatzteil 6 an der Plattform 3 des Schaufelsegments 1 positioniert, indem die Befestigungsstifte 7 in die zugeordneten Aufnahmeöffnungen 8 eingeführt werden. Anschließend werden das Ersatzteil 6 und die Plattform 3 stoffschlüssig miteinander verbunden, indem die Beschichtung 9 sowie die Randbereiche der Schaufel 2 und des Ersatzteils 6 umgeschmolzen werden, während ein Laserstrahl entlang der entsprechenden Stoßkante bewegt wird. Es sollte klar sein, dass zum Verbinden des Ersatzteils 6 und der Plattform 3 grundsätzlich jedes geeignete stoffschlüssige Fügeverfahren eingesetzt werden kann. So kann beispielsweise auch ein Fügen mittels Elektronenstrahl erfolgen.
Abschließend wird das Schaufelsegment 1 einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein gewünschtes Gefüge einzustellen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen dem Ersatzteil 6 und der Plattform 3, die durch das Einführen der Befestigungsstifte 7 in die zugehörigen Aufnahmeöffnungen 8 bewirkt wird, ein Ablösen des Ersatzteils 6 während des bestimmungsgemäßen Betriebes selbst dann verhindert wird, wenn die stoffschlüssige Verbindung versagten sollte.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Befestigungsstifte 7 und der zugehörigen Aufnahmeöffnungen 8 variabel ist. Das gleiche gilt für ihre Querschnittsform, die alternativ auch oval oder polygonal ausgeführt sein kann.
3 zeigt ein Ersatzteil 10, das anstelle des Ersatzteils 6 verwendet werden kann und sich allein dahingehend von diesem unterscheidet, dass das Ersatzteil 10 an derjenigen Seite, die im bestimmungsgemäß montierten Zustand des Schaufelsegments 1 zur Plattform eines benachbart angeordneten Schaufelsegments weist, mit einer Nut 11 versehen ist, die zur Aufnahme einer Dichtplatte 12 dient. Eine solche Dichtplatte 12 bildet eine weitere Sicherung gegen ein Lösen des Ersatzteils 10 im Falle eines Versagens der stoffschlüssigen Verbindung.
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 einer Plattform (3) eines Schaufelsegments (1), insbesondere eines Turbinenschaufelsegments, das die Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Schaufelsegments (1), dessen Plattform (3) zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitt (4) aufweist; b) Entfernen des zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitts (4) unter Bildung einer Aussparung (5); c) Bereitstellen eines Ersatzteils (6; 10), dessen Abmessungen im Wesentlichen den Abmessungen der Aussparung (5) entsprechen; d) Positionieren und Vorfixieren des Ersatzteils (6; 10) an der Plattform (3) im Bereich des entfernten Seitenkantenabschnitts (4), wobei zumindest ein von dem Ersatzteil (6; 10) vorstehender Befestigungsstift (7) in eine korrespondierende, im Bereich der Aussparung (5) ausgebildete Aufnahmeöffnung (8) eingesetzt wird; und e) Verbindungsschweißen oder Verbindungslöten des Ersatzteils (6; 10) und der Plattform (3) entlang einander gegenüber angeordneten Stoßflächen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelsegment (1) und/oder das Ersatzteil (6; 10) aus einer Nickelbasis-Superlegierung hergestellt ist/sind, insbesondere aus Rene 80, Alloy 247 oder IN 939.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßfläche des Ersatzteils (6; 10) mit einer Schweiß- oder Lötzusatzwerkstoff aufweisenden Beschichtung (9) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Beschichtung (9) um eine Pre-Sintered-Preform (PSP) handelt, die insbesondere Rene 80 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des zumindest einen verschlissenen Seitenkantenabschnitts (4) in Schritt b) und/oder das Herstellen der zumindest einen Aufnahmeöffnung (8) wenigstens teilweise mittels Funkenerodieren erfolgt/erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsschweißen oder Verbindungslöten in Schritt e) unter Einsatz eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Befestigungsstift (7) einteilig mit dem Ersatzteil (6; 10) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Befestigungsstift (7) einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzteil (10) an derjenigen Seite, die im bestimmungsgemäß montierten Zustand des Schaufelsegments (1) zur Plattform (3) eines benachbart angeordneten Schaufelsegments weist, mit einer Nut (11) zur Aufnahme einer Dichtplatte (12) versehen ist.