DE19712868C1

DE19712868C1 - Reparaturverfahren für im Blattsitzenbereich beschädigte Schaufelblätter von Strömungsmaschinen, sowie Reparaturkörper zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19712868C1
Application number: DE1997112868
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier; Karl Kerger-Knilling
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2017-03-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für im Blattspitzenbereich beschädigte Schau felblätter von Strömungsmaschinen, sowie einen Reparaturkörper zur Durchführung des Reparaturverfahrens. Ein derar tiges Reparaturverfahren ist in der DE 43 27 189 C2 offenbart.

Je nach Einsatzbedingungen unterliegt die Beschaufelung axial bauender Strömungsmaschi nen im Betrieb einem abrasiven Verschleiß im Bereich der Schaufelspitzen. Die hieraus re sultierende Verkürzung der Schaufelblätter führt zu einer Vergrößerung des Schaufelspitzen spiels das bei Überschreiten eines Toleranzwertes zur Aussonderung der betreffenden Schau feln führt.

Zur Reparatur derartig beschädigter Schaufelblätter haben sich Schweißverfahren bewährt, sofern die Reparaturkosten um mindestens etwa 40% unterhalb der Herstellungskosten eines Neubauteiles liegen. Bei großflächigen Schaufeln, wie beispielsweise die Fanschaufeln eines Strahltriebwerkes, wird dieses Verhältnis in der Regel erreicht, da die Material- und Ferti gungskosten auch aufgrund der hochwertigen Werkstoffe recht hoch liegen im Vergleich zu kleineren Schaufeln, wie sie im Hochdruckverdichter eines Strahltriebwerkes Verwendung finden.

In der Regel wird bei dem bekannten Reparaturverfahren derart vorgegangen, daß der be schädigte Blattspitzenbereich bis auf einen Schaufelblattstumpf abgetrennt wird und ein Repa raturkörper auf den verbleibenden Schaufelblattstumpf angeschweißt wird. Ist der Reparatur körper bereits vor dem Anschweißen auf die erforderliche Schaufelblattkontur vorgefertigt, dann ist eine extrem genaue Übertragung des Profilschnitts des Schaufelblattstumpfes auf den Profilschnitt des Reparaturkörpers erforderlich. Um den profilierten Reparaturkörper maßge nau mit dem Schaufelblattstumpf zu verschweißen, ist eine exakte Schweißnahtführung längs des Profilschnittes erforderlich, dabei ist eine Vielzahl von Schweißparametern einzuhalten.

Die räumliche Führung des Schweißbrenners sowie die exakte Einhaltung der Schweißpara meter erfordert einen hohen maschinellen Aufwand, der sich häufig mit dem zu erwartenden Reparaturaufkommen nicht rechtfertigen läßt.

Eine gewisse Vereinfachung hinsichtlich des maschinellen Aufwandes ergibt sich aus den Reparaturverfahren wie sie in der DE 42 25 243 C2 und der eingangs erwähnten DE 43 27 189 C2 offenbart sind. Hierbei wird statt eines fertig profilierten Reparaturkörpers ein platten- oder streifenförmiger Reparaturkörper auf den Schaufelblattstumpf aufgeschweißt. Hierzu wird bei dem Verfahren nach der gattungsgemäßen DE 43 27 189 C2 eine Reparaturplatte flächig auf den Schaufelblattstumpf aufgeschweißt, wobei die Reparaturplatte sich mit ihren Abmessungen über die Dicke und Höhe des Profilschnittes des Schaufelblattstumpfes hinaus erstreckt. Die Stumpfschweißung wird vorzugsweise im Stichlochverfahren mit Lichtbogen schweißung durchgeführt. Da die Fertigbearbeitung zum profilierten Schaufelblatt erst nach dem Verschweißen erfolgt, ergibt sich eine gewisse Vereinfachung, da die Schweißparameter auf eine konstante Dicke der Reparaturplatte einzustellen sind und somit das Schweißverfah ren unabhängig von der Profildicke des Schaufelblattstumpfes durchführbar ist. Gleichwohl ist eine komplexe räumliche Bewegung des Schweißbrenners bezüglich der Schweißnaht am Schaufelblattstumpf erforderlich.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung ein gattungsgemäßes Reparaturverfahren anzugeben, bei welchem sich eine weitere Vereinfachung hinsichtlich der Führung des Schweißbrenners ergibt, sowie einen Reparaturkörper zur effektiven Durchführung des Reparaturverfahrens bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe von einem Verfahren mit den Verfahrensschritten nach Patentanspruch 1, sowie hinsichtlich des Reparaturkörpers gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 8 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Verwendung eines ring- bzw. bogenförmigen Reparaturkörpers eine Vereinfachung hinsichtlich der Herstellung ergibt, da nicht für jedes Schaufelblatt ein einzelner, separater Reparaturkörper herzustellen ist, sondern nur ein einzel ner Reparaturkörper für alle Schaufelblätter einer Verdichter- oder Turbinenstufe.

Die Herstellung eines solchen Reparaturkörper kann beispielsweise erfolgen, indem von ei nem rohrförmig vorliegenden Rohling die Reparaturkörper ringweise heruntergeschnitten werden. Auch läßt sich der Reparaturkörper in einfacher Weise auf einer Drehmaschine her stellen.

Da häufig mehrere Schaufelblätter einer Strömungsmaschine zu reparieren sind, können die Schaufelblätter in einem Schweißgang nacheinander auf den Reparaturkörper aufgeschweißt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die kronenartige Anordnung der Schaufelblattstümpfe auf dem ring- bzw. bogenförmig ausgebildeten Reparaturkörper eine komplizierte, räumliche Bewegungsführung eines Schweißbrenners zur Ausführung der Schweißnaht erübrigt, da sich aufgrund der gleichmäßigen, nämlich kronenartigen Anordnung der Schaufelblattstümpfe eine Symmetrie ergibt, die eine eindimensionale Bewegung des Schweißbrenners gegenüber des Reparaturkörpers erlaubt. Gegenüber komplizierten und ko stenintensiven 3D-Schweißrobotern ist die Verwendung einfacher Schweißvorrichtungen möglich da das erfindungsgemäße Reparaturverfahren bezüglich der Bewegung eines Schweißbrenners nur mit wenigen Freiheitsgraden ausführbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Reparaturkörper kreisring- bzw. kreisbogenförmig ausgebildet ist, so daß entspre chend der Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sich die Schweißbewegung des Schweißbrenners bezüglich des Reparaturkörpers auf eine einfache Drehbewegung des Reparaturkörpers um dessen Zentrum Z reduzieren läßt.

Um auch bei komplex geformten Schaufelblättern eine Schweißnaht unter Einhaltung enger Toleranzen ausführen zu können, ist in weiterer Fortbildung des Reparaturverfahrens eine Neigung des Brennstrahlwinkels α gegenüber der Ringebene des Reparaturkörpers entspre chend den Merkmalen des Anspruches 4 vorgesehen. Zu dem ist gemäß den Merkmalen des Anspruches 5 eine radial verschiebliche Führung des Schweißbrenners zur Einstellung des Abstandes R zum Reparaturkörper möglich, wobei diese geometrischen Parameter ggf. com putergesteuert während des Schweißprozesses vorgenommen werden können.

Zur Durchführung des für das Reparaturverfahren vorteilhaften Stumpfschweißverfahrens bietet sich eine Plasma-Lichtbogen-Schweißung oder eine Laserstrahlschweißung an, wobei bei Durchführung im Stichlochverfahren die Schweißung lediglich von der Innenseite oder Außenseite des Reparaturkörpers erfolgen muß. Eine an der Profillinie umlaufende Schweiß nahtführung ist somit nicht erforderlich.

Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Reparaturkörper zur Durchführung des vor stehend beschriebenen Reparaturverfahrens und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Repara turkörper Kreisringform aufweist und der Ringdurchmesser (d_i ) bzw. Bogenradius im wesent lichen der Wölbung der konvexen oder konkaven Profilseite des Schaufelblattstumpfes ent spricht. Auf diese Weise können die Schweißnähte auf einen Umfang des Reparaturkörpers liegen und somit kann auf eine variable Steuerung der radialen Beabstandung des Schweiß brenners vom Reparaturkörper während des Schweißvorganges verzichtet werden.

Hierdurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung in der Steuerung des Reparaturverfahrens bzw. der hierzu verwendeten Schweißvorrichtung.

Um die Schaufelblattstümpfe an den Reparaturkörper anschweißen zu können, ist eine vor läufige Fixierung der Schaufelblattstümpfe auf dem Reparaturkörper erforderlich, um dann die endgültige Verbindung herzustellen. Bei den üblichen Schweißverfahren werden hierzu die Schaufelblattstümpfe an den Reparaturkörper angeheftet. Um das Anheften und Positio nieren zu vereinfachen, ist gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9 vorgesehen, die Stirnfläche des Reparaturkörpers mit einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Nut zu versehen, deren Nutbreite zur Aufnahme der Schaufelblattstümpfe der Profilhöhe entspricht. Vorzugsweise sind die beiden Maße derart aufeinander abgestimmt, daß die Schaufelblatt stümpfe mit dem Reparaturkörper eine reibschlüssige Steckverbindung bilden. Zur Vorberei tung auf das Anschweißen sind somit die Schaufelblattstümpfe lediglich in die Nut einzustec ken, so daß die vertikal aus der Nut aufragenden Schaufelblattstümpfe zwischen den Nutflan ken eingeklemmt werden. Die Schaufelblattstümpfe sind dann zum einen exakt zum Repara turkörper positioniert und zum anderen in der Nut derart festgeklemmt, daß sie endgültig ohne weiteres Anheften angeschweißt werden können. Der Überstand der Nutflanken stellt dabei den für das Anschweißen erforderlichen Schweißzusatz dar.

Vorzugsweise ist der Reparaturkörper entsprechend der Sehnenlänge der Schaufelblattstümpfe und deren Umfangsbeabstandung mit Schlitzen versehen, so daß nach dem Anschweißen der Schaufelblattstümpfe diese einfach voneinander getrennt werden können.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaufel eines Axialverdichters, bei welcher die beschädigte Schaufelblattspitze abgetrennt wurde,

Fig. 2a einen schmalen Profilschnitt eines Schaufelblattes nach Fig. 1,

Fig. 2b einen Profilschnitt mit starker Wölbung eines Schaufelblattes nach Fig. 1,

Fig. 3a eine Draufsicht auf einen kreisringförmigen Reparaturkörper, welcher mit mehreren Schaufelblattstümpfen bestückt ist und

Fig. 3b eine Seitenansicht des Reparaturkörpers nach Fig. 3a während des Schweißprozesses.

Fig. 1 zeigt einen zu reparierenden Schaufelblattstumpf 1 einer Schaufel einer nicht weiter dargestellten Verdichterstufe axialer Bauweise. Von der Schaufel wurde bereits eine beschä digte Schaufelblattspitze 2 längs eines Profilschnittes P abgetrennt. Im vorliegenden Beispiel wurde die Schaufelblattspitze 2 längs eines senkrecht zur Schaufelblattvorderkante 3 verlau fenden Profilschnitts P abgetrennt. Je nach Ausdehnung und Position der Schadstelle kann der Schnitt auf unterschiedlichen Höhen und unter verschiedenen Winkeln bezüglich der Schau felblattvorderkante vorgenommen werden. In der Regel beträgt die Höhe des verbleibenden Schaufelblattstumpfes mindestens 2/3 der ursprünglichen Schaufelblatthöhe. In der Praxis sind jedoch meist mehrere Schaufeln einer Verdichter- bzw. Turbinenstufe beschädigt, so daß zur Vereinfachung des Reparaturverfahrens alle beschädigten Schaufeln einer Stufe auf der gleichen radialen Höhe R von ihrer beschädigten Schaufelblattspitze 2 abgetrennt werden.

Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei unterschiedlich vorkommende Profilschnitte eines Schaufel blattstumpfes 1. Der in Fig. 2a gezeigte schmale Profilschnitt P_S und der in Fig. 2b dargestellte Profilschnitt P_W mit starker Wölbung läßt sich zum einen durch die Sehnenlänge l, Profildicke d und durch die Profilhöhe h charakterisieren. Um den Fügevorgang mit einem Reparaturkör per 4 zu vereinfachen sind die Profilschnitte P, P_S, P_W eben ausgeführt, so daß der Schaufel blattstumpf 1 mit dem Reparaturkörper 4 an einer ebenen Fügestelle verbunden werden kann.

In Fig. 3a ist ein mit zahlreichen Schaufelblattstümpfen bestückter kreisringförmiger Repara turkörper 4 gezeigt. Die Fig. 3a und 3b zeigen die kronenartige Bestückung des Reparaturkör pers 4 mit den Schaufelblattstümpfen 1. Demnach sind die Schaufelblattstümpfe 1 derart in eine umlaufende, an der Stirnfläche des Reparaturkörpers 4 eingearbeitete U-förmige Nut 5 eingesetzt, daß die Sehne S des Profilschnittes P im wesentlichen parallel zu einer lokalen Tangente t am Reparaturkörper 4 verläuft. Somit ist der Profilschnitt P der jeweiligen Schau felblattstümpfe 1 in Umfangsrichtung ausgerichtet, wobei die Schaufelblattstümpfe 1 etwa parallel zur Achse A des Reparaturkörpers 4 aufragen. Je nach Durchmesser d_i des Reparatur körpers 4 und der Sehnenlänge l der Schaufelblattstümpfe 1 kann eine Vielzahl von Schaufel blattstümpfen 1 am Umfang des Reparaturkörpers 4 angebracht werden, was das nachfolgend beschriebene Reparaturverfahren optimiert.

Die an der Stirnseite des Reparaturkörpers 4 ausgeführte Nut 5 erstreckt sich in Umfangs richtung und öffnet sich stirnseitig. Die Nutbreite b ist dabei derart auf die Profilhöhe h der Schaufelblattstümpfe 4 abgestimmt, daß diese in die Nut 5 eingesteckt werden können und somit eine reibschlüssige Steckverbindung mit dem Reparaturkörper 4 bilden. Je nach Kontur des Schaufelblattstumpfes 1 klemmen dann die Vorder- und Hinterkante 3 bzw. 6 sowie die Schaufeldruck- oder -saugseite 7, 8 des Schaufelblattstumpfes 1 mit den Flanken 9a, 9b der Nut 5. Die Höhe der Flanken 9a, 9b beträgt etwa 1 mm so daß die Schaufelblattstümpfe 1 für das spätere Verschweißen mit dem Reparaturkörper 4 ausreichend fixiert sind. Um die Dicke des Reparaturkörpers 4 möglichst nahe an der Profilhöhe h zu halten beträgt die Flankenbreite b_f nur einige 1/10 mm bis etwa 1 mm.

Generell ist darauf zu achten, daß die Abschnitte des kreisringförmigen Reparaturkörpers 4 im Bereich der aufgesetzten Schaufelblattstümpfe der Wölbung der Profilschnitte P sehr nahe kommt, so daß die spätere Nacharbeit zur Herstellung der endgültigen Schaufelblattkontur auf ein Minimum reduziert werden kann. Durch entsprechende Wahl des Durchmessers d_i des Reparaturkörpers 4 entsprechend der Wölbung auf der Profildruck- oder Profilsaugseite 7 bzw. 8 kann der Reparaturkörper 4 der späteren Schaufelspitzenkontur weiter angenähert wer den. Gleichwohl bleibt die Kontur des Reparaturkörper 4 noch ausreichend universell so daß auf einen Reparaturkörper 4 auch Schaufelblattstümpfe 1 mit unterschiedlichen Profilschnit ten P angebracht und somit in einem Reparaturdurchlauf repariert werden können.

Wie weiter in Fig. 3b zu erkennen, ist der Reparaturkörper 4 zwischen benachbarten Schau felblattstümpfen 1 jeweils mit einem radialen Schlitz 10 versehen, so daß die an den Repara turkörper 4 angeschweißten Schaufelblattstümpfe 1 voneinander durch Abknicken einfach getrennt werden können.

Wie bereits angedeutet, wird bei den beschädigten Schaufelblättern jeweils der beschädigte Bereich längs des Profilschnittes P bis auf den Schaufelblattstumpf 1 abgetrennt. Mit dem ebenen Profilschnitt P werden die Schaufelblattstümpfe 1 bis auf den Nutgrund des Repara turkörpers 4 eingesteckt und somit fixiert. Je nach Größe des Reparaturkörpers 4 können so mehrere Schaufelblattstümpfe 1 in die Nut 5 nur eines Reparaturkörpers 4 eingesteckt werden. Ein weiteres Fixieren oder Anheften der Schaufelblattstümpfe 1 ist für den anschließenden Schweißvorgang nicht erforderlich. Derartig bestückt wird der Reparaturkörper 4 für den Schweißprozeß in eine nicht weiter dargestellte Spannvorrichtung eingespannt.

Zum Verschweißen des Reparaturkörpers 4 mit den Schaufelblattstümpfen 1 ist ein Schweiß brenner 11 außerhalb des Reparaturkörpers 4 angeordnet, der im Stumpfschweißverfahren die Schaufelblattstümpfe 1 mit dem Reparaturkörper 4 verschweißt. Während des Schweißvor ganges dreht sich der Reparaturkörper 4 um eine durch sein Zentrum Z verlaufende Achse A, so daß eine kreisbogenförmige Schweißnaht erzeugt werden kann, die der Kontur des Profil schnittes sehr nahe kommt. Durch diese einfach zu erzeugende Drehbewegung kann auf eine räumlich komplexe Bewegungsführung des Schweißbrenners 11 gegenüber dem Reparatur körper 4 verzichtet werden. Die Stumpfschweißung erfolgt in Stichlochverfahren, so daß die Schweißung nur von einer Seite her durchgeführt werden muß. Zur Einstellung auf verschie dene Reparaturkörper und um auch enge Toleranzen hinsichtlich der Schweißnahtausbildung einhalten zu können, ist der Schweißbrenner 11 zur Einstellung des Abstandes a zum Repa raturkörper 4 radial verschieblich geführt. Ebenso ist zur Einstellung des Brennstrahlwinkels α gegenüber der Ringebene E des Reparaturkörpers 4 der Schweißbrenner 11 neigbar geführt. Letztlich kann im Vergleich zu einem dreidimensional beweglich gesteuerten Schweißroboter die Bewegungsführung auf einen translatorischen und auf einem rotatorischen Freiheitsgrad reduziert werden. Somit läßt sich der apparative Aufwand für eine Schweißvorrichtung deut lich reduzieren.

Bezugszeichenliste

1

Schaufelblattstumpf

2

Schaufelblattspitze

3

Schaufelblattvorderkante

4

Reparaturkörper

5

Nut

6

Schaufelblatthinterkante

7

Schaufeldruckseite

8

Schaufelsaugseite

9

a,

9

bFlanke

10

Schlitz
AAchse
aradialer Abstand
b_f

;Flankenbreite
b_r

;Nutbreite
dProfildicke
d_i

;Innendurchmesser
d_R

;Dicke Reparaturkörper
EEbene
hProfilhöhe
h_f

;Flankenhöhe
lSehnenlänge
PProfilschnitt
Rradiale Höhe
SSehne
ZZentrum

Claims

1. Reparaturverfahren für im Blattspitzenbereich beschädigte Schaufelblätter von Strö mungsmaschinen, wobei die Schaufelblätter Profilschnitte (P) mit einer Sehnenlänge l und einer Profilhöhe h aufweisen und die Reparatur in folgenden Verfahrensschritten er folgt:

1. Abtrennen des beschädigten Bereiches längs eines Profilschnittes (P) der jeweili gen Schaufel bis auf einen Schaufelblattstumpf (1),
2. Anschweißen mehrerer Schaufelblattstümpfe (1) an den Profilschnitten (P) kro nenartig auf einen ring- oder bogenförmig ausgebildeten Reparaturkörper (4) und
3. Abtragen des Reparaturkörpers (4) bis auf die geforderte Schaufelblattgeometrie.

2. Reparaturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschweißen des Reparaturkörpers (4) mit den Schaufelblattstümpfen (1) ein Schweißbrenner (11) bezüglich des Reparaturkörpers (4) eine konzentrische, bogenförmige Relativbe wegung ausführt.

3. Reparaturverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrische Relativbewegung durch Drehung des Reparaturkörpers (4) um des sen Zentrum (Z) erfolgt.

4. Reparaturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß zum Verschweißen des Reparaturkörpers (4) mit den Schaufelblattstümpfen (1) ein Schweißbrenner (11) zur Einstellung des Brennstrahlwinkels α gegenüber der Ringebene (E) des Reparaturköerps (4) neigbar ist.

5. Reparaturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Verschweißen des Reparaturkörpers (4) mit den Schaufelblatt stümpfen (1) ein Schweißbrenner (11) zur Einstellung des Abstandes R zum Repara turkörper (4) radial verschieblich geführt ist.

6. Reparaturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Verschweißen des Reparaturkörpers (4) mit den Schaufelblattstümpfen (1) mittels Stumpfschweißverfahren erfolgt.

7. Reparaturverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stumpf schweißverfahren als Stichlochverfahren durchgeführt wird.

8. Reparaturkörper zur Durchführung des Reparaturverfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er Kreisringform aufweist und der Ringdurchmesser (d_i ) bzw. der Bogenradius im wesentlichen der Wölbung der konve xen oder konkaven Profilseite (7 bzw. 8) des Schaufelblattstumpfes entspricht.

9. Reparaturkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß seine Stirnfläche eine in Umfangsrichtung sich erstreckende Nut (5) aufweist, deren Nutbreite (b_r) zur Auf nahme der Schaufelblattstümpfe (4) der Profilhöhe (h) entspricht.

10. Reparaturkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutbreite (b) der art auf die Profilhöhe abgestimmt ist, daß die Schaufelblattstümpfe (1) eine reib schlüssige Steckverbindung mit dem Reparaturkörper (4) bilden.

11. Reparaturkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er in gleichmäßigem Umfangsabstand mit radialen Schlitzen (10) versehen ist, wobei der Umfangsabstand der Sehnenlänge (1) des Profilschnitts (P) entspricht.