DE202018002644U1 - Apparatus for connecting a gas turbine blade with a gas turbine blade root - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens zum Verbinden eines Gasturbinenschaufelblatts (100), im Folgenden als Schaufelblatt (100) bezeichnet, mit einem Gasturbinenschaufelfuß (200), im Folgenden als Schaufelfuß (200) bezeichnet, wobei das Schaufelblatt (100) und der Schaufelfuß (200) aus nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen hergestellt sind, mit den folgenden Schritten:- Bereitstellen eines Schaufelblatts (100) und eines Schaufelfußes (200),- Anordnen zum Verbinden des Schaufelblatts (100) und des Schaufelfußes (200) in einer Fügezone (5) zu einer Gasturbinenschaufel (300),- Vorwärmen des Schaufelblatts (100) und des Schaufelfußes (200) wenigstens in der Fügezone (5), wobei die Vorwärmtemperatur größer als die Temperatur für den Spröd-Duktil-Phasenübergang der Materialien des Schaufelblatts (100) und des Schaufelfußes (200) ist,- Verbinden des Schaufelblatts (100) mit dem Schaufelfuß (200) unter Ausbildung einer in der Fügezone (5) umlaufenden gasdichten Schweißnaht (1) durch Schmelzschweißen, und- Diffusionsschweißen durch heißisostatisches Pressen des Verbundes aus dem Schaufelblatt (100) mit dem Schaufelfuß (200).Apparatus configured to carry out a method for connecting a gas turbine blade (100), hereinafter referred to as blade (100), with a gas turbine blade root (200), hereinafter referred to as blade root (200), wherein the blade (100) and the blade root (100) 200) are made of non-fusion-weldable materials, comprising the following steps: - providing a blade (100) and a blade root (200), - arranging for connecting the blade (100) and the blade root (200) in a joining zone (5) a gas turbine blade (300), preheating the airfoil (100) and the blade root (200) at least in the joining zone (5), wherein the preheating temperature is greater than the temperature for the brittle-ductile phase transition of the materials of the airfoil (100) and the Blade root (200), - connecting the blade (100) to the blade root (200) to form a circumferential in the joint zone (5) n gas-tight weld (1) by fusion welding, and diffusion welding by hot isostatic pressing of the composite of the airfoil (100) with the blade root (200).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens zum Verbinden eines Gasturbinenschaufelblatts, im Folgenden als Schaufelblatt bezeichnet, mit einem Gasturbinenschaufelfuß, im Folgenden als Schaufelfuß bezeichnet, wobei das Schaufelblatt und der Schaufelfuß aus nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen hergestellt sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device configured to carry out a method for connecting a gas turbine blade, hereinafter referred to as a blade, with a gas turbine blade root, hereinafter referred to as blade root, wherein the blade and the blade root are made of non-meltable materials, according to the preamble of
Gasturbinen können Gasturbinenschaufeln und angrenzende Bauteile aufweisen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Beispielsweise können das Schaufelblatt, der Schaufelfuß, der Rotorgrundkörper und/oder andere Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden. Dies kann dadurch begründet sein, dass beispielsweise ein Schaufelblatt sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, ein Schaufelfuß und ein Rotorgrundkörper dagegen bei relativ niedrigeren Temperaturen für bestimmte hohe mechanische Belastungen ausgelegt wird. Für die unterschiedlichen Werkstoffe, zu denen Titanlegierungen, Nickellegierungen und andere Legierungen zu zählen sind, stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Verfügung. Hier sind insbesondere das Feingießen sowie das Schmieden aus dem Stand der Technik bekannt. Viele hoch beanspruchte Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel die Schaufeln für einen Verdichter, sind oft Schmiedeteile. Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine können hingegen als Feingussteile ausgeführt werden.Gas turbines may include gas turbine blades and adjacent components made of different materials. For example, the blade, the blade root, the rotor body and / or other components can be made of different materials. This may be due to the fact that, for example, an airfoil is exposed to very high temperatures, a blade root and a rotor base body, however, is designed at relatively lower temperatures for certain high mechanical loads. Different materials are available for the different materials, which include titanium alloys, nickel alloys and other alloys. Here, in particular, the investment casting and forging from the prior art are known. Many highly stressed gas turbine components, such as the blades for a compressor, are often forgings. Blades and vanes of the turbine, however, can be executed as precision castings.
Eine Gasturbinenschaufel mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt ist, kann als Hybridschaufel bezeichnet werden. Die Herstellung dieser Hybridschaufel, beispielsweise aus verschiedenen Titanlegierungen, ist in der Regel nur fügetechnisch möglich. Als mögliche Verfahren zum Fügen des Schaufelfußes aus einer ersten Titanlegierung mit einem Schaufelblatt aus einer zweiten Titanlegierung kann ein lineares oder ein orbitales Reibschweißen, oder alternativ ein additives Fertigungsverfahren angewendet werden. Zu den additiven Fertigungsverfahren sind beispielsweise das Elektronenstrahlschmelzen (engl.: Electron Beam Melting, abgekürzt EBM), das Selektive Laserschmelzen (engl.: Selective Laser Melting, abgekürzt SLM) oder das Laserauftragsschweißen (engl.: Laser Metal Deposition, abgekürzt LMD) zu zählen. Diese Fügetechnologien können jedoch eine aufwendige Vorwärmung bei dem Reibschweißen erfordern, oder mögliche Bindefehler in dem mittels additiver Fertigung hergestellten Bauteil verursachen. Derartige Bindefehler sind durch eine abschließende zerstörungsfreie Materialprüfung nur schwer nachweisbar. Trotz dieser Nachteile kann es aus strukturmechanischen Gründen notwendig sein, bestimmte Materialkombinationen für eine Gasturbinenschaufel zu verwenden.A gas turbine blade having an airfoil and a blade root made of different materials may be referred to as a hybrid blade. The production of this hybrid blade, for example, from different titanium alloys, is usually possible only by joining technology. As a possible method of joining the blade root of a first titanium alloy with a blade of a second titanium alloy, a linear or an orbital friction welding, or alternatively an additive manufacturing method may be used. For example, the electron beam melting (EBM), the Selective Laser Melting (abbreviated SLM) or the Laser Metal Deposition (abbreviated LMD) can be counted among the additive manufacturing processes , However, these joining technologies may require elaborate preheating in the friction welding, or cause potential bonding defects in the component made by additive manufacturing. Such binding errors are difficult to detect by a final non-destructive material testing. Despite these disadvantages, it may be necessary for structural mechanical reasons to use certain combinations of materials for a gas turbine blade.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die konfiguriert ist zur Ausführung eines Verfahrens zum Verbinden eines Schaufelblatts mit einem Schaufelfuß, wobei das Schaufelblatt und der Schaufelfuß aus nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen hergestellt sind.An object of the present invention is to propose a device configured to carry out a method of joining a blade with a blade root, wherein the blade and blade root are made of non-fusion weldable materials.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object of the invention is achieved by a device having the features of
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung beansprucht, die konfiguriert ist zur Ausführung eines Verfahrens zum Verbinden eines Schaufelblatts mit einem Schaufelfuß, wobei das Schaufelblatt und der Schaufelfuß aus nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen hergestellt sind. Das Verfahren umfasst als ersten Schritt ein Bereitstellen eines Schaufelblatts und eines Schaufelfußes. Der zweite Schritt des Verfahrens umfasst ein Anordnen zum Verbinden des Schaufelblatts und des Schaufelfußes in einer Fügezone zu einer Gasturbinenschaufel. Die Fügezone kann als Kontaktbereich bezeichnet werden. Der dritte Schritt des Verfahrens umfasst ein Vorwärmen des Schaufelblatts und des Schaufelfußes wenigstens in der Fügezone, wobei die Vorwärmtemperatur größer als die Temperatur für den Spröd-Duktil-Phasenübergang der Materialien des Schaufelblatts und des Schaufelfußes ist. Die Temperatur für den Spröd-Duktil-Phasenübergang kann als Phasenübergangstemperatur bezeichnet werden. Diese Bedingung für die Vorwärmtemperatur kann mittels der folgenden Gleichung dargestellt werden:
- T v, Min - Mindest-Vorwärmtemperatur
- T Spröd-Duktil, Werkstoff Schaufelblatt - Temperatur für den Spröd-Duktil-Phasenübergang des Schaufelblatt-Werkstoffs
- T Spröd-Duktil, Werkstoff Schaufelfuß - Temperatur für den Spröd-Duktil-Phasenübergang des Schaufelfuß-Werkstoffs
- T v, Min - minimum preheat temperature
- T brittle ductile, material airfoil - temperature for the brittle-ductile phase transition of the airfoil material
- T brittle ductile, material blade root - temperature for the brittle-ductile phase transition of the blade root material
Der vierte Schritt des Verfahrens umfasst ein Verbinden des Schaufelblatts mit dem Schaufelfuß unter Ausbildung einer in der Fügezone umlaufenden gasdichten Schweißnaht durch Schmelzschweißen. Das Verbinden kann als Fügen bezeichnet werden. Der fünfte Schritt des Verfahrens umfasst ein Diffusionsschweißen durch heißisostatisches Pressen (abgekürzt HIP) des Verbundes aus dem Schaufelblatt mit dem Schaufelfuß. The fourth step of the method comprises bonding the airfoil to the blade root to form a gas-tight weld seam circulating in the joint zone by fusion welding. The joining can be called joining. The fifth step of the method comprises a diffusion welding by hot isostatic pressing (abbreviated HIP) of the composite of the airfoil with the blade root.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.Advantageous developments of the present invention are the subject of subclaims and embodiments.
Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.Exemplary embodiments according to the invention may have one or more of the following features in any combination, provided that one or the concrete combination is not apparent to the person skilled in the art as obviously technically impossible. The subject matters of the dependent claims in each case according to the invention, exemplary embodiments.
Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.In all of the statements made above and below, the use of the term "may be" or "may have" etc. is synonymous with "preferably" or "preferably", etc., and is intended to illustrate exemplary embodiments of the invention.
Wann immer hierin Alternativen mit „und/oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.Whenever alternatives are introduced herein with "and / or", those skilled in the art will understand the "or" contained therein as preferably "either or" and preferably not "and".
Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.Embodiments referred to herein are to be understood as being purely exemplary embodiments of the present invention, which are not to be considered as limiting.
Der Begriff Schmelzschweißverfahren bzw. Schmelzschweißen kann verschiedene Schweißverfahren zum Verbinden von Bauteilen umfassen, welche unter Einwirkung von Wärme bzw. von Hitze ausgeführt werden. Im Gegensatz zu den Pressschweißverfahren sind beim Schmelzschweißverfahren in der Regel keine großen Kräfte notwendig, um die Verbindung strukturmechanisch stabil ausführen. Zu den Schmelzschweißverfahren sind das Feuerschweißen, das Widerstandsschmelzschweißen, das Gasschmelzschweißen (z. B. das Autogenschweißen) und das Strahlschmelzschweißen zu zählen. Beim Strahlschmelzschweißen wird in der Regel der Strahl, insbesondere ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl, eingesetzt, um das zu verbindende Material bzw. Bauteil lokal in einem sehr kleinen Bereich von beispielsweise einigen Zehntelmillimetern zu verflüssigen. Die Intensität des Laserstrahls kann an den Schmelzpunkt des Materials angepasst werden.The term fusion welding may include various welding methods for joining components which are carried out under the action of heat or heat. In contrast to the pressure welding process, in the fusion welding process usually no large forces are necessary to perform the compound structurally stable. Fusion welding methods include fire welding, resistance melt welding, gas fusion welding (eg, autogenous welding), and beam fusion welding. In beam fusion welding, the beam, in particular a laser beam or an electron beam, is generally used in order to liquefy the material or component to be connected locally in a very small range of, for example, a few tenths of a millimeter. The intensity of the laser beam can be adjusted to the melting point of the material.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Schaufelblatt ein Schaufelblatt-Rohteil und der Schaufelfuß ein Schaufelfuß-Rohteil. Das Schaufelfuß-Rohteil kann quaderförmig, oval mit abgerundeten Eckbereichen für eine bessere Wärmeverteilung, oder eine andere Form aufweisen. Die stirnseitige Gegenfläche des Schaufelblatt-Rohteils kann die entsprechende Gegenfläche der Schaufelfuß-Rohteilform aufweisen, um eine stufenlose Schweißnaht zu ermöglichen.In some embodiments of the invention, the airfoil is an airfoil blank and the blade root is a blade root stock. The blade root blank may be cuboid, oval with rounded corner areas for better heat distribution, or other shape. The front-side mating surface of the blade bladed blank may have the corresponding mating surface of the blade root blank mold to allow a stepless weld.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verwendens eines Strahlschmelzverfahrens als Schmelzschweißverfahren auf, wobei das Strahlschmelzverfahren ein Laserstrahl-Schmelzschweißverfahren oder ein Elektronenstrahl-Schmelzschweißverfahren sein kann.In some embodiments of the invention, the apparatus configured to perform a method comprises the further step of using a jet fusion process as a fusion welding process, wherein the jet fusion process may be a laser beam fusion welding process or an electron beam fusion welding process.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen beträgt die Streckenenergie beim Schmelzschweißen maximal 15 kJ/m auf. Die Streckenenergie kann weiterhin maximal 10 kJ/m, insbesondere ca. 6 kJ/m betragen. Die Streckenenergie kann als das Verhältnis aus einerseits der Leistung des Laserstrahls oder des Elektronenstrahls und andererseits der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls bzw. Elektronenstrahls beschrieben und definiert werden.In some embodiments according to the invention, the energy per unit area during fusion welding amounts to a maximum of 15 kJ / m. The path energy can continue to be at most 10 kJ / m, in particular about 6 kJ / m. The energy per unit length can be described and defined as the ratio of on the one hand the power of the laser beam or the electron beam and on the other hand the feed speed of the laser beam or electron beam.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verwendens von Elektronenstrahlen und/oder von Laserstrahlen und/oder eines induktiven Verfahrens zum Vorwärmen auf. In some embodiments of the invention, the apparatus configured to perform a method includes the further step of using electron beams and / or laser beams and / or an inductive preheating method.
Insbesondere beim Laserstrahlschmelzschweißen kann die Vorwärmung induktiv durchgeführt werden.In particular, in laser beam welding, the preheating can be performed inductively.
Bei einer Strahlerwärmung kann der Strahl defokussiert eingestellt werden, sodass der Strahlfokus nicht direkt auf die zu erwärmende Fläche eingestellt ist. Damit kann vorteilhaft eine Punkterwärmung oder zumindest eine lokal sehr eng begrenzte Erwärmung, die zu lokalen Überhitzungen führen kann, vermieden werden. Dieser defokussierte Strahl kann den Vorwärmbereich beispielsweise durch mehrmaliges Oberflächenerwärmen bzw. Überstreichen der Fügezone zunehmend bis zu einer gewünschten Solltemperatur erwärmen. Die Solltemperatur kann als Vorwärmtemperatur bezeichnet werden. Die Wärmemessung zur Überprüfung eines Erreichens der Vorwärmtemperatur kann durch berührungslose Messverfahren erfolgen, beispielsweise durch eine Wärmebildkamera.If the heater is heated, the beam can be set in a defocused position so that the beam focus is not set directly on the surface to be heated. This can advantageously a point warming or at least a locally very limited heating, which can lead to local overheating, avoided become. This defocused beam can increasingly heat the preheating area to a desired setpoint temperature by, for example, heating the surface several times or sweeping over the joining zone. The setpoint temperature can be referred to as the preheat temperature. The heat measurement for checking that the preheating temperature has been reached can be effected by non-contact measuring methods, for example by a thermal imaging camera.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verwendens einer Schutzgaskammer zum Verbinden von dem Schaufelblatt mit dem Schaufelfuß unter Ausbildung einer Schweißnaht durch Schmelzschweißen auf. Insbesondere beim Laserstrahlschmelzschweißen kann eine geschlossene Schutzgaskammer, die als sogenannte Glove Box bezeichnet werden kann, eingesetzt werden. Als Schutzgas kann beispielsweise Argon oder Helium verwendet werden. Das Elektronenstrahlschmelzschweißen wird in der Regel in einem Hochvakuum-Druckbereich durchgeführt, sodass eine gesonderte Schutzgaskammer nicht notwendig ist. Das Hochvakuum wird vorteilhaft dafür eingesetzt, um eine Versprödung der zu verbindenden Werkstoffe zu vermeiden bzw. auszuschließen.In some embodiments of the invention, the apparatus configured to perform a method includes the further step of using a shield gas chamber to connect the airfoil to the blade root to form a weld by fusion welding. In particular, in laser beam welding, a closed protective gas chamber, which can be referred to as a so-called glove box, are used. As protective gas, for example, argon or helium can be used. The electron beam fusion welding is usually carried out in a high vacuum pressure range, so that a separate protective gas chamber is not necessary. The high vacuum is advantageously used to avoid embrittlement of the materials to be joined or excluded.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Überwachens der Vorwärmtemperatur mittels einer Wärmebildkamera auf. Eine Wärmebildkamera kann als bildgebendes Gerät bezeichnet werden, das eine Infrarotstrahlung zur Temperaturmessung empfängt.In some embodiments of the invention, the apparatus configured to perform a method includes the further step of monitoring the preheat temperature using a thermal imaging camera. A thermal imaging camera may be referred to as an imaging device that receives infrared radiation for temperature measurement.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verwendens einer Vorwärmtemperatur auf, die größer ist als die Summe aus der Temperatur für den Spröd-Duktil-Phasenübergang der Materialien des Schaufelblatts und des Schaufelfußes und einer Temperaturspanne Delta T (ΔT), die einer Abkühlung nach der Beendigung der Vorwärmung und vor dem Beginn des Schmelzschweißens entspricht. Die Temperaturspanne Delta T (ΔT) kann als Temperaturdifferenz zwischen der Beendigung der Vorwärmung und dem Beginn des Schmelzschweißens bezeichnet werden. Diese Bedingung fiir die Vorwärmtemperatur kann mittels der folgenden Gleichung dargestellt werden:
- TV - Vorwärmtemperatur
- TV, Min - Mindest-Vorwärmtemperatur
- ΔT - Temperaturdifferenz zwischen der Beendigung der Vorwärmung und dem Beginn des Schmelzschweißens
- T V - preheating temperature
- T V, Min - minimum preheat temperature
- ΔT - temperature difference between the completion of preheating and the beginning of fusion welding
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verwendens eines Wärmeleitungsschweißprozesses zum Schmelzschweißen auf. Die Einschweißtiefe kann zwischen 0,05 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen. Ein Wärmeleitungsschweißprozess kann als ein Schweißprozess beschrieben werden, bei dem der Strahl zum Schmelzschweißen, beispielsweise ein Laserstrahl, die zu fügenden Bauteile entlang der Fügestelle aufschmilzt. Die Schmelzen können ineinander fließen und zur Schweißnaht erstarren. Die Energie kann beim Wärmeleitungsschweißen nur durch Wärmeleitung in das Werkstück gelangen. Die Eindringtiefe kann weniger als ein Zehntelmillimeter bis zu ca. 1 bis 2 mm betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs kann die maximale Eindringtiefe, die als Nahttiefe bezeichnet werden kann, begrenzen.In some embodiments of the invention, the apparatus configured to perform a method includes the further step of using a thermal conduction welding process for fusion welding. The welding depth can be between 0.05 mm and 2 mm, in particular between 0.1 mm and 1 mm. A thermal conduction welding process may be described as a welding process in which the fusion welding beam, such as a laser beam, melts the components to be joined along the joint. The melts can flow into one another and solidify into a weld. The energy can pass through the heat conduction welding in the workpiece only by heat conduction. The penetration depth can be less than a tenth of a millimeter up to about 1 to 2 mm. The thermal conductivity of the material can limit the maximum penetration depth, which can be called the seam depth.
Der Schritt des Verwendens eines Wärmeleitungsschweißprozesses zum Schmelzschweißen ermöglicht vorteilhaft eine rissfreie Schweißung. Die Schweißung kann als Einschweißung bezeichnet werden. Das Vermeiden von Oberflächenrissen kann eine wichtige Voraussetzung für eine Gasdichtigkeit der Schweißnaht und damit des nachfolgenden Diffusionsschweißprozesses durch ein heißisostatisches Pressen HIP sein. Oberflächenrisse können beispielsweise durch eine Farbeindring-Prüfung detektiert werden.The step of using a heat conduction welding process for fusion welding advantageously allows a crack-free weld. The weld can be called weld-in. The avoidance of surface cracks can be an important prerequisite for a gas tightness of the weld seam and thus of the subsequent diffusion welding process by hot isostatic pressing HIP. Surface cracks can be detected, for example, by a dye penetration test.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verbreiterns der Schweißnaht senkrecht zur Vorschubrichtung der Schweißnaht und parallel zur Oberfläche des Schaufelblatts und des Schaufelfußes mittels einer periodischen Strahlauslenkung auf. In some embodiments of the invention, the apparatus configured to perform a method comprises the further step of widening the weld perpendicular to the feed direction of the weld and parallel to the surface of the airfoil and the blade root by means of periodic beam deflection.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Verwendens einer Temperatur zwischen 900°C und 1200°C und einem Druck zwischen 1000 bar und 5000 bar für eine Zeitdauer zwischen 30 min und 600 min bei dem Verfahrensschritt des heißisostatisches Pressens des Verbundes aus dem Schaufelblatt mit dem Schaufelfuß auf.In some embodiments of the invention, the apparatus configured to carry out a method comprises the further step of using a temperature between 900 ° C and 1200 ° C and a pressure between 1000 bar and 5000 bar for a period of between 30 minutes and 600 minutes Process step of hot isostatic pressing of the composite from the blade with the blade root.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Werkstoff für das Schaufelblatt und/oder für den Schaufelfuß eine Titan-Aluminium-Legierung oder weist einen solchen Werkstoff auf.In some embodiments of the invention, the material for the airfoil and / or for the blade root is a titanium-aluminum alloy or comprises such a material.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Vorrichtung, konfiguriert zur Ausführung eines Verfahrens, den weiteren Schritt eines Endbearbeitens einer Gasturbinenschaufel, die mittels eines Schaufelblatt-Rohteils und/oder eines Schaufelfuß-Rohteils hergestellt wurde, mittels eines spanabhebenden Verfahrens und/oder eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens auf.In some embodiments of the invention, the apparatus configured to carry out a method comprises the further step of finishing a gas turbine blade made by means of an airfoil blank and / or a blade root blank by means of a metal cutting process and / or an electrochemical machining process ,
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Gasturbinenschaufel als Laufschaufel einer Gasturbine ausgebildet.In some embodiments of the invention, the gas turbine blade is configured as a blade of a gas turbine.
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.Some or all embodiments according to the invention may have one, several or all of the advantages mentioned above and / or below.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorteilhaft ein Schmelzschweißverfahren als Fügeverfahren zum Verbinden eines Gasturbinenschaufelblatts mit einem Gasturbinenschaufelfuß angewendet werden, wobei das Schaufelblatt und der Schaufelfuß aus nicht schmelzschweißgeeigneten Werkstoffen hergestellt sind. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Nachteile bisher angewendeter Verfahren, insbesondere eine aufwendige Vorwärmung bei einem linearen oder einem orbitalen Reibschweißen, oder mögliche Bindefehler im Material bei einem additiven Fertigungsverfahren vermieden werden.By means of the device according to the invention can be advantageously used a fusion welding method as a joining method for connecting a gas turbine blade with a gas turbine blade root, wherein the blade and the blade root are made of non-meltable materials. With the device according to the invention, the disadvantages of previously used methods, in particular a costly preheating in a linear or an orbital friction welding, or possible binding errors in the material in an additive manufacturing process can be avoided.
Der erfindungsgemäße Verfahrensschritt des Diffusionsschweißens durch ein heißisostatisches Pressen (HIP) des Verbundes aus dem Schaufelblatt mit dem Schaufelfuß in einer HIP-Anlage ermöglicht vorteilhaft, die HIP-Anlage gleichzeitig mit mehreren Bauteilen, also einer Vielzahl von Gasturbinenschaufeln, zu beladen. Es können, je nach Größe der HIP-Anlage, über 100 Gasturbinenschaufeln gleichzeitig beladen werden. Weiterhin ermöglicht die HIP-Anlage vorteilhaft, eine optionale und oft notwendige, nachgeschaltete Wärmebehandlung der Gasturbinenschaufeln in der HIP Anlage durchzuführen, ohne einer erneuten Beladung oder Umladung.The inventive step of diffusion welding by hot isostatic pressing (HIP) of the composite of the blade with the blade root in a HIP system advantageously allows to load the HIP system simultaneously with a plurality of components, ie a plurality of gas turbine blades. Depending on the size of the HIP system, more than 100 gas turbine blades can be loaded simultaneously. Furthermore, the HIP plant advantageously allows to carry out an optional and often necessary, downstream heat treatment of the gas turbine blades in the HIP plant without a renewed loading or reloading.
Die Qualität der durch das heißisostatische Pressen entstandenen Diffusionsschweißung kann vorteilhaft einfach durch beispielsweise eine berührungslose Ultraschallprüfung der Gasturbinenschaufeln überprüft werden. Optional werden Schaufelblatt-Rohteile mit Schaufelfuß-Rohteilen zu einer Gasturbinenrohschaufel miteinander verbunden, die in der gleichen Art und Weise durch eine berührungslose Ultraschallprüfung überprüft werden kann.The quality of the diffusion welding produced by the hot isostatic pressing can advantageously be checked simply by, for example, a contactless ultrasonic testing of the gas turbine blades. Optionally, airfoil blanks are joined together with blade root blanks to form a gas turbine bladed blade that can be inspected in the same manner by non-contact ultrasonic testing.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorteilhaft durch eine geringe Einschweißtiefe beim Strahlschweißprozess ein erforderliches Aufmaß im stirnseitigen Fußbereich der Gasturbinenschaufel gering gehalten werden.By means of the device according to the invention can be kept low by a small welding depth during the beam welding process a required allowance in the frontal foot region of the gas turbine blade.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:
-
1 zeigt ein Gasturbinenschaufelblatt-Rohteil, ein Gasturbinenschaufelfuß-Rohteil, eine Schweißnaht und einen vorgewärmten Bereich an einer Fügezone des Schaufelblatt-Rohteils und des Schaufelfuß-Rohteils; und -
2 zeigt die erfindungsgemäßen Schritte eines Verfahrens zum Verbinden des Schaufelblatts mit dem Schaufelfuß in einer Fügezone zu einer Gasturbinenschaufel.
-
1 shows a gas turbine blade blank, a gas turbine blade root, a weld and a preheated area at a joining zone of the airfoil blank and the blade root blank; and -
2 shows the inventive steps of a method for connecting the airfoil with the blade root in a joining zone to a gas turbine blade.
Das Schaufelfuß-Rohteil
Zur Endbearbeitung werden die beiden miteinander verbundenen Rohteile
Im Schritt S1 wird ein Schaufelblatt
Im Schritt S2 werden das Schaufelblatt
Im nachfolgenden Schritt S3 wird das Schaufelblatt
Die Strahlen für eine Strahlerwärmung können Elektronenstrahlen, Laserstrahlen oder andere Strahlen sein.The rays for a radiation heating may be electron beams, laser beams or other rays.
Bei einem Schmelzschweißen von zwei nichtschmelzschweißgeeigneten Werkstoffen bzw. Bauteilen aus diesen Werkstoffen, wie dies hier vorliegend in Form der beiden Bauteile Schaufelblatt
Zur Berücksichtigung einer Abkühlung des Vorwärmbereichs
Zur Vermeidung von Wärmestaus an Eckbereichen der zu erwärmenden Bauteile, die beispielsweise bei rechteckförmigen Rohteilen des Schaufelblatt
Im nachfolgenden Schritt S4 wird das Schaufelblatt
Das Schmelzschweißen wird vorzugsweise mit einer Streckenenergie von maximal 15 kJ/m, insbesondere von maximal 10 kJ/m, beispielsweise von ca. 6 kJ/m durchgeführt.The fusion welding is preferably carried out with a maximum energy of 15 kJ / m, in particular of at most 10 kJ / m, for example of about 6 kJ / m.
Die Schweißnaht kann mittels einer periodischen Strahlauslenkung senkrecht zur Vorschubrichtung der Schweißnaht und parallel zur Oberfläche des Schaufelblatts und des Schaufelfußes verbreitert werden, um eine sichere Spaltüberbrückung zwischen den zu fügenden Bauteilen zu erreichen.The weld can be widened by means of a periodic beam deflection perpendicular to the feed direction of the weld and parallel to the surface of the blade and the blade root in order to achieve a secure gap bridging between the components to be joined.
Der Verfahrensschritt S4 kann in einer Schutzgaskammer durchgeführt werden.The method step S4 can be carried out in a protective gas chamber.
Der Strahlschweißprozess wird bevorzugt als Wärmeleitungsschweißprozess durchgeführt. Die Eindringtiefe der Wärmeleitung in das zu verbindende Bauteil im Bereich der Fügezone
Im darauf nachfolgenden Schritt S5 erfolgt der Verfahrensschritt des Diffusionsschweißens durch ein heißisostatisches Pressen des Verbundes aus dem Schaufelblatt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Gasturbinenschaufelblatt-Rohteil; Schaufelblatt-Rohteil; SchaufelblattGas turbine airfoil blank; Blade-blank; airfoil
- 200200
- Gasturbinenschaufelfuß-Rohteil; Schaufelfuß-Rohteil; SchaufelfußGasturbinenschaufelfuß-blank; Blade-blank; blade
- 300300
- GasturbinenschaufelGas turbine blade
- 11
- SchweißnahtWeld
- 33
- vorgewärmter Bereichpreheated area
- 55
- Fügezone; KontaktbereichJoining zone; contact area
- S1 - S5S1 - S5
- Verfahrensschrittesteps
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202018002644.1U DE202018002644U1 (en) | 2018-06-04 | 2018-06-04 | Apparatus for connecting a gas turbine blade with a gas turbine blade root |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202018002644.1U DE202018002644U1 (en) | 2018-06-04 | 2018-06-04 | Apparatus for connecting a gas turbine blade with a gas turbine blade root |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202018002644U1 true DE202018002644U1 (en) | 2018-06-18 |
Family
ID=62813254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202018002644.1U Expired - Lifetime DE202018002644U1 (en) | 2018-06-04 | 2018-06-04 | Apparatus for connecting a gas turbine blade with a gas turbine blade root |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE202018002644U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021002876A1 (en) | 2020-06-06 | 2021-12-09 | VauQuadrat GmbH | Procedure for energy redistribution through voluntary preheating in metal fusion welding processes as a remedy for welding problems |
-
2018
- 2018-06-04 DE DE202018002644.1U patent/DE202018002644U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021002876A1 (en) | 2020-06-06 | 2021-12-09 | VauQuadrat GmbH | Procedure for energy redistribution through voluntary preheating in metal fusion welding processes as a remedy for welding problems |
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