DE2853545A1

DE2853545A1 - Verfahren zum reparieren verschlissener turbinenschaufeln aus metallegierung

Info

Publication number: DE2853545A1
Application number: DE19782853545
Authority: DE
Inventors: Salvatore J Cretella
Original assignee: CRETELLA SALVATORE
Current assignee: CRETELLA SALVATORE
Priority date: 1977-12-12
Filing date: 1978-12-12
Publication date: 1979-06-13
Also published as: AU531630B2; GB2009635A; AU4241178A; SE7812706L; CA1119896A; GB2009635B; ES475940A1; IT7830745A0; CH628559A5; BE872693A; NL7812087A; IT1100539B; FR2411063A1; JPS5493657A; US4155152A; FR2411063B1; SE436173B

Description

PATENTANWALT DIPL-PHYS. HEINRICH SEIDS 62 Wiesbaden-Bierstadt ■ Bierstadter Höhe 15 · Postfach 12068 · Telefon (0 6121) 56 53 82 Postscheck Frankfurt/Main 181008 - Bank Deutsche Bank 3956372 · Nass. Sparkasse 108003065

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Verfahren zum Reparieren verschlissener Turbinenschc.uf ein aus Metallegierung

Priorität: USA-Patentanmeldung 859 43ü vom 12. Dezember 1977

Die Jirfi.ndi.ing bezieht sich generell auf Verfahren zum Reparieren und Wiederherstellen von Turbinenteilen, vnLe Laufschaufeln und Leitschaufeln, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verfahren, die die vVieclerherstellung des beschädigten oder verschlissenen Haubenteiles der Schaufeln einschließt.

Normalerweise werden Turbinenschaufeln durch eine zentrale wabe in der Maschine gehalten und sind ira wesentlichen radial kazü^Lich/ded?Aljaufachse angeordnet. Die

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gerippten Basisteile der Schaufeln sind-in entsprechende Schlitze in der ίlabe aufgenommen, während die Schaufelhauben sich gegeneinanderlegen und in zusammengebautem 2iustand durch einen geeigneten Ring gehalten sind. ¥ährend des Betriebes der Maschine besteht eine geringe aber fortgesetzte Vibration der benachbarten Schaufeln zueinander und bezüglich der Habe. Diese Vibration gibt Veranlassung zum Verschleiß an den sich gegenüberliegenden Kanten der Haube in Nachbarschaft desjenigen Bereiches, der als Z-Nuten der Haube bekannt ist. Dies macht den Austausch der Schaufeln in der Turbine nach einer gewissen Detriebszeit erforderlich.

In der Vergangenheit wurde die Reparatur der Schaufeln durch Anlegen.von Schweißraupen an diese verschlissenen Bereiche der Schaufel vorgenommen. Das Material wurde generell mit Schweißstäben oder Schweißdrähten aufgebracht, die im wesentlichen die gleiche .-Zusammensetzung wie das Grundmetall der Schaufel hatten. Die geschweißten Bereiche wurden zu einer Dimension aufgebaut, die über -_. diejenige des Originalteiles hinausging, und danach wurde das überschüssige Material durch Schleifen entferntjUm so die ursprüngliche Geometrie der Schaufel ■wieder herzustellen. Solche Verfahrensweisen wurden für die "Wiederherstellung von Turbinenschaufeln in großem

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umfang benutzt und auch mit einem hohen Grad an i-.Txolg ·

Die oben beschriebenen früheren Arbeitsweisen hatten aber einige Kachteile. Die zu benutzenden Schweißdrähte bzw. bchweißstäbe sind teuer. Das Schweißen mußte von Hand ausgeführt werden und ist conit lohnintensiv und teuer. Da die l'urbinenschauf ein im Betrieb hohen Terroeraturen und Spannungen ausgesetzt waren, war eine Anzahl von Überwachungen und Inspektionen während des Arbeitsablaufes notwendig um sicherzugehen., daß die Schweißstellen richtig und dem Schaufelmaterial angepaßt werden und um sicherzugehen, daß eine zufriedenstellende Bindung des aufgeschweißten Materials zum Grundmaterial erreicht wird. Darauf folgend mußte der Teil notwendigerweise heruntergeschliffen werden um die Dimensionen des neuen Seiles herzustellen, iiach dem Schleifen waren dann üblicherweise zusätzliche Inspektionsmaßnahmen erforderlich.

Die mit der oben erläuterten Arbeitsweise verbundenen Kosten waren somit beträchtlich, wenngleich sie allgemein weniger waren,als sie durch den Austausch verschlissener Turbinenschaufeln durch neue Turbinenschaufeln entstanden sein würden.

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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Nachteile und Mängel der früheren Reparatur und erneuerten Behandlung zu vermeiden und ein neuartiges und verbessertes Verfahren zum Wiederherstellen der Kanten an dem ^ iiaubenteil von Turbinenschauf ein in Ilachbar schaft der Z-Uuten zu schaffen, wobei dieses Verfahren besonders einfach auszuführen und gleichzeitig zu einem wiederhergestellten Produkt fuhren soll, das den hohen Anforderungen an Turbinenschaufein, Laufschaufeln, wie

1- Leitschaufein und andere Turbinenteile, in vollen Urnfang gerecht wird. Dabei soll nur ein Mindestmaß an »lanüarbe.L"!; erforderlich sein um einerseits die Kosten zu senken und andererseits Bearbeitungsfehler besser zu vermeiden. Schließlich soll die Erfindung eine Ver-

"¹^ be s se rung dahingehend erbringen, daß nur noch wenig oder überhaupt kein Schleifen oder Oberflächenbarbeitung am aufgebauten Teil nach dem Aufbringen des Metall-Owerlays erfolgen muß, uit dem Ergebnis, daß die Ausbesserungszeit vermindert wird und auch dadurch die Ausbesserungskosten herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Reparieren verschlissener Turbinenschaufeln aus Metallegierung gelöst, das sich durch die folgenden Verfahrensschritte kennzeichnet:

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- eine Kante des Z-Hutteiles der Befestigungshaube am einen Jnde der Schaufel wird auf eine genaue, vorher festgolegte Dimension heruntergesch3.iff en;

- die ".";ef estigungshaube wird auf beiden üeiten dieser Kante nach dem Schleifen abgedeckt;

- die heruntergeschliffene Kante wird einem k'etalllegierunr enthaltenden Plasmastrom ausgesetzt und so auf ihre ursprüngliche Dimension wieder aufgebaut;

- danach wird die Schaufel bei erhöhter Temperatur über "'ü vorher festgelegte Zeitdauer sur Alterum·; gesintert.

Diese Verfahrensschritte können ira einzelnen enthalten: liach dem Herunterschleifen der einen Kante des einen Z-Iiutteiles der iJef estigungshaube wird die i'urbinenschäufel in einer Befestigungseinrichtung angebracht,

1> die ein Abdeclcelemont mit einem Schlitz darin enthält, derart, daf3 diese Kante der Turbinenschaufel im wesentlichen mit diesem Schlitz ausgerichtet ist. Die durch das Abschleifen in Unterdinensionierung gebrachte Kante wird dann einem Plasniastrom unterworfen, der eine vorher bestimmte Lenge von Metallegierung trägt, und zwar vorherrschend entweder Kobalt oder uiclcel, und zwar gerade ausreichend um die Kante auf ihre Originaldimension wieder aufzubauen. Danach wird die Turbinenschaufel über eine vorher bestimmte Zeit bei erhöhter Temperatur ge-

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sintert um die reparierten 'Teile zu altern und die Bindung mit dem Originalteil zu verbessern.

Auf das Sintern folgend wird die Schaufel gekühlt. Sine zusätzliche Oberflächenbehandlung in Form von Schleifen

■\j der unter Plasma besprühten Kante \cLi-d nicht benötigt, jj'erner ist die entsprechend der Erfindung wieder aufgebaute Kante durch hohe Temperaturfestigkeit und hohe Spannungsfestigkeit ebensogut.wie neue Turbinenteile ausgezeichnet und kann so den hohen Anforderungen im Betrieb solcher Teile entsprechen. Ba nur wenig manuelle Arbeit erfolgt, werden die Gesamtkosten für die Reparatur verringert. Die Wahrscheinlichkeit, daß Bearbeitungsfehler vorkommen, wird herabgesetzt.

Bei der Durchführung des oben beschriebenen Verf ahrens" hat es sich herausgestellt, daß die genaue und richtige i-Ietallmenge akkurat auf der Haubenkante nieder- : ■ geschlagen v/erden -.kann, so dai3 darauf folgendes Schleifen oder Oberflächenbea.rbeiten nicht notwendig sind* Bs wird so auch kein überschüssiges Material auf die Schaufelhaube aufgetragen, so daß keine zusätzlichen Bäiandlungsschritte an der Turbinenschaufel erforderlich sind außer dem Sintern und dem darauf folgenden Kühlen.

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Daß Verfahren stellt oinc beträchtliche Verbesserung; gegenüber den alten Verfahren dar, bei denen SchweißctUbe oder üchweii;draht benutzt wurde um die Kante auf eine Dimension aufzubauen, die £röi?er als diejenige der neuen Schaufel ist und bei dem dann das überschüssige Material durch Schleifen entfernt γ/erden mußte. In einer, solchen Fall konnte das weggeschliffene Material nicht mehr zurückgewonnen werden, was in lünblick auf die hohen Kosten der Originalschwei.Odrähte bzw. 3chweißstäbe einen bedeutenden Kostenfaktor darstellt, ebenso wie die hohen Arbeitskosten.

Weitere Herkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt verschiedene Schritte im erfindungsgeniäßen Verfahren und insbesondere verschiedene Befestigungseinrichtungen. Ls zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Turbinenschaufel solcher

Art, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren aus-

gebessert v/erden soll;
Fig. 2 eine linksseitige Ansicht der Turbinenschaufel

nach Fig. 1;
Fig. 3 eine rechtsseitige Ansicht der Turbinenschaufel

nach Fig. 1;

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Pig. ^ eine üiiteransicirt einer Turbinenschaufel nach Fig. 1;

i/ij. 5 eine perspektivische Darstellung eines Turbinenrotor g mit einer Reihe eingesetzter Schaufeln des Typs gemä3 Fig. 1 bis 5;

Fig. 6 einen OJeIlschnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 5;

I¹'ic· 7 eine Vorderansicht einer ersten Befestigungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, rait einer Oberflächen-Schleifvorrichtung benutzt zu werden, ΊΟ in der eine verschlissene Turbinenschaufel des

gemäß der Hrfindung zu behandelnden Typs in eingeklemmten Zustand gezeigt ist in einer ,Stellung, in der die eine Z-iiut der Defestigungshau.be nach oben liegt, derart, daß gesteuerte, vorher bestimmte Anteile der verschlissenen Kante sorg

fältig entfernt werden können;

!■'ig. O eine Draufsicht auf eine Befestigung nach Fig. 7; Fig. 9 eine rechtsseitige Ansicht der Befestigung nach

Fig.10 eine Vorderansicht einer zweiten Befestigungseinrichtung, die dazu ausgebildet werden mit einer Oberflächen-ochleifvorrichtung benutzt zu werden, in der die verschlissene Turbinenschaufel in eingeklemmter Lage gezeigt ist, wobei die andere

'^■b Z-Iiut der Befestigungshaube nach oben gerichtet

angeordnet ist, derart, daß dort kontrollierte

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Anteile der verschlissenen Kante sorgfältig entfernt v/erden können,·
Fig. 11 eine Draufsicht auf eine Lsei'esxi^imgsvorriclituiif; nach Fig. 10j
Fig. 12 eine Teilansicht nach der Linie 12-12 der

WS· 10;

Fig. 13 einen Schnitt nach der Linie 13-15 der Fig. 10; I'ig. 14 eine Seitenansicht einer Befestigungsvorrichtung

nach Fig. 10;

l''ig. 15 eine Vorderansicht einer dritten -Jefestigungsvorrichtung mit einen Abdockelenent mit einer kehrzahl darin angebrachter Schlitze, wobei diese itefestigungseinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Lehrzahl von Turbinenschaufeln mit einander gegenüberliegenden Z-Hüten in ihren ";eiestigungsliauben jeweils mit diesen Schlitzen ausgerichtet angebracht zu v/erden, derart, daß das Auflagemetall unter Plasma durch die Schlitze auf die Oberflächen der riuten zu deren T/iederaufbau gespritzt bzw. gesprüht werden kann;

Fig. 16 eine Dr.aufsieht auf eine Befestigungsvorrichtung nach Fig. 15;

Fig. 17 eine teilweise rechtsseitige Ansicht einer Bebefestigung nach Fig. 15;

Fig. 1ü einen Teilschnitt nach der Linie 18-1C der Fig. 16;

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Fie. ^ 9 eine teilweise Seitenansicht einer Befestigung "nach" "Fig. 15, die ebenfalls eine Plasma-Spritzpistole zeigt, wie sie im erfindungsgemälBen Verfahren benutzt v/erden kann;

I''i:"j. 20 eine Darstellung ähnlich der Fig. 2 mit Ausnahme, dai3 sie die Schaufel zeigt, nach-dem eine Kante des Ilaubenteiles heruntergeschliffen ist und einen Sandblasebehandlung erfolgte um jegliche Grate zu entfernen!

Fig, 21 eine Ansicht ähnlich der Fig. 2, die jedoch die Turbinenschaufel zeigt, nach dem die Kante des Haubenteiles durch Plasmasprühen bzw. Plasmaspritzen in einem Verfahren nach Fig. 19 wieder aufgebaut worden ist;

Fig. 22 eine Vorderansicht eines Ofens, in welchem die Schaufel nach dem T/iederaufbau der Kanten ihrer Befestigungshaube durch Plasmaspritzen im Verfahren nach Flg. 19 gesintert werden.

Die Figuren 1 bis 4 geben eine Turbinenschaufel eines solchen Typs wieder die geeignet ist, im erfindungsgemäßen Verfahren einer Erneuerungsbehandlung unterworfen zu werden. Die Turbinenschaufel 10 hat eine konvexe aerodynamische Oberfläche 12 und eine konkave aerOdynamische Oberfläche 14 (Fig. 2). Wenn da das Profil der

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Turbinenschaufel in Längsrichtung verschoben ist, ändert sich der aerodynamische Flügelquerschnitt, was die doppelte Profillinie (gestrichelt) in Fig. 2 zur Folge hat. Die Schaufel weist ferner einen Befestigungs-Basisteil 15 auf, der gemäß Fig. 1 verjüngt ist und eine Reihe von Rippen 16 auf der einen Seite und eine zweite Reihe von Rippen 18 auf der anderen Seite aufweist. Am gegenüberliegenden Ende der Schaufel ist eine Haube unregelmäßiger Form gebildet, wie sie insbesondere in Figur 2 gezeigt ist. Diese Befestigungshaube 20 weist Kantenteile 22, 24, 26 und 28, 30, 32 auf. Fig. 5 zeigt einen Turbinenrotor 34 mit gestrichelter Umfangslinie, der eine Welle 36 und eine Rotornabe 38 enthält. Die letztere hat eine Reihe von radialen Ausnehmungen 40 in ihrem Umfang, die dazu ausgebildet sind, die gerippten Basisteile 15 der Turbinenschaufeln 10 aufzunehmen, line Reihe solcher Turbinenschaufeln ist in Fig. 5 wiedergegeben, wie sie ihre Lage bei normalem Betrieb der Turbine einnehmen würden.

lii® in Figo 6 dargestellt^ nssten odsr stapeln sich etie Be£estigimgsliaufoen 20 des? Surbinoasclia-of ein ineinander und Rippen 21 an jeder¹ Bef©stigungshaube sind Miteinander ausgerichtete Sin© g@©iga©t©r Abdichtring 42 erstreckt sich vm di© in©is.aaö@i? g®a,©swc©n B®~ festigraigshaubsn υηά greift auf dies® vs& cLasLurcli dl®

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Turbinenschaufeln 10 in ihrer Betriebsstellung festzuhalten. Der Ring 42 ist in Fig. 5 gestrichelt angedeutet.

Während des Betriebs der Turbinen tritt beträchtliche Vibration der Rotornabe 38 ein, die leichte Relativbewegungen der jeweiligen Schaufeln 10 zueinander und "bezüglich der Rotornabe selbst zur Folge hat. Bei der ineinander nestenden oder ineinander greifenden Berührung der Befestigungshauben 20 gemäß Fig. 6 reiben die Kantenteile 22 bis 25 und 28 bis 32 benachbarter

. Einheiten fortgesetzt aneinander, wodurch sie veranlaßt werden, nach einer längeren Betriebszeit verschlissen zu werden.

Gemäß der Erfindung wird ein neuartiges und verbessertes Verfahren zur Wiederherstellung der verschlissenen Befestigungshauben der Turbinenschaufeln u. dgl. geschaffen, die während einer längeren Betriebszeit verschlissen oder beschädigt worden sind. Das Verfahren enthält

•daß
die Verfahrensschritte ,/vorsichtig ein. vorher bestimmter, gesteuerter Anteil einer verschlissenen Kante entfernt wird, derart, daß sie in eine gewisse vorher bestimmte Dimension gebracht wird bezüglich des übrigen Teiles der Turbinenschaufel und daß danach ein Plasmaspritzen einer

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genau gesteuerten Lage auf die heruntergeschliffene Kante erfolgt, derart, daß die Kante in ihrer Originalgeometrie wieder hergestellt wird. Bei Durchführung des Verfahrens werden die verschlissenen Turbinenschaufeln nacheinanderfolgend in drei Befestigungseinrichtungen eingeklemmt oder in anderer Weise befestigt. Diese Befestigungseinrichtungen sind im einzelnen in den Figuren 7 bis 9, den Figuren 10 bis 14 und den Figuren 15 bis 19 dargestellt. In den Figuren 7 bis 9 ist die erste der drei Halterungen gezeigt, die es ermöglicht, eine Turbinenschaufel in einer Stellung einzuklemmen, in dar ihre konkave aerodynamische Oberfläche nach unten liegt und in der die Kante 30 der Befestigungshaube nach oben gerichtet ist um mit einem geeigneten Schleifrad 44 (Fig. 9) behandelt zu werden. Diese Halterung 50 umfaßt eine Basis mit einer Gleitplatte 52 mit nach oben stehendem Endblock 54 am einen Ende und. einem zweiten, nach oben stehenden Endblock 56 am anderen Ende. Der erste Endblock 54 hat ein Querloch 58, in das der Kopf 60 eines Basishalteblockes oder Haltebackens 62 eingesetzt ist. Der Haltekopf 60 hat eine Gewindebohrung, die eine Kappenschraube 64 aufnimmt, auf der wiederum Scheiben 66 getragen und durch eine Feder 68 in Abstand ge-

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halten sind. Diese Anbringungsweise für den Halteblock 62 gestattet es, ihn innerhalb Grenzen zu verdrehen. Er ist dazu ausgebildet, den Basisteil 15 einer Turbinenschaufel in der in Fig. 7 gezeigten leise aufzunehmen. Zusätzlich ist ein stationärer Führungsann oder Flansch 70 auf dem Block 62 getragen, und ein nachgiebiger Arm oder Flansch 72 ist am entgegengesetzten Ende des Blockes 62 angeordnet um den Basisteil 15 gefangenzuhalten. Die Stirnfläche des Blockes 62 enthält eine . hohle Ausnehmung 74 "und bildet so einen Sitz für das Ende des Basisteiles 15.

Der zweite, nach oben stehende Block 56 trägt eine Klemmvorrichtung mit einem Joch 76, das um einen Stift 78 im Block 56 verschwenkt werden kann. Von diesen Joch 76 wird eine Betätigungsschraube 80 getragen, die einen gerändelten Knöpfteil 82 aufweist. Eine Schraube 80 ist in eine Gewindebohrung des Joches 76 aufgenommen, Das Joch-'76 enthält eine Stirnfläche 84, die sich gegen einen Vorsprung 23 (Fig. 6) der Befestigungshaube 20

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Auf dem Block 56 wird auch ein Stift 86 aus gehärtetem Stahl getragen, der eine tragende Fläche für die Kante 26 der Befestigungshaube darstellt, wenn die Schaufel in der dargestellten festgeklemmten Lage ist. Ferner ist auf dem Block 56 eine zweite Schraube 88 getragen, die eine Klemmschraube darstellt und einen gerändelten Knopf 90 hat. Diese Schraube 88 trägt ein Endstück 92 aus gehärtetem Stahl, das sich gegen die Rippe 21 der Befestigungshaube legt (Figur 6), wenn die Schraube 88 festgezogen ist. In den Figuren 8 und 9 ist eine ergänzende tragende Fläche in Form eines Blockes 94 vorgesehen, der eine Schulter bildet gegen die eine Kante der Befestigungshaube der Turbinenschaufel angelehnt oder abgestützt werden kann.

Die Oberflächenschleifvorrichtung enthält einen Tisch 100 - wie in Figur 9 gezeigt - und eine Führung 102 gegen die die Gleitplatte 52 bei der Durchführung des Schleifvorganges an der Kante 30 sich bewegen kann.

Die zu erneuernde Turbinenschaufel wird in der Halterung angebracht und ein sorgfältig gesteuerter Anteil der Kante wird mit dem Schleifrad 44 heruntergeschliffen, wenn die Halterung 50 entlang der Führung 102 gleitet. Der genaue zu entfernende Anteil wird zum Teil durch die Schwere des eingetretenen Verschleisses bestimmt. Es ist zu verstehen, daß die gegenseitigen Lagen der Führung 102 und des Schleif-

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rades 44 bezüglich des Tisches 100 durch Versuche zu bestimmen sind. Nach dem oben erläuterten SchleifVorgang hat die Kante 30 eine feste dimensionale Beziehung bezüglich, des übrigen Teiles der Befestigungshaube 20 und der Turbinenschaufel 10 erhalten. Die Turbinenschaufel

wird aus der Halterung 50 gemäß Figur 7 bis 9 herausgenommen und in eine zweite Halterung eingesetzt, wie sie insbesondere in den Figuren 10 bis 14 gezeigt ist. Diese Halterung ist dazu ausgebildet, die Turbinenschaufel in einer Lage festzuklemmen in der die konkave aerodynamische Fläche nach oben liegt, derart, daß eine gegenüberliegende Kante 24 der Befestigungshaube 20 vjn einem entsprechenden Schleifrad gemäß Figur 14 erfasst werden kann. Diese zweite Halterung 104 umfasst eine Grundplatte 106 und ein Paar von Gleitern oder Läufern 108, 110. Wie in Figur 10 wiedergegeben enthält die Grundplatte 106 einen nach oben stehenden Trägerblock 112, der dazu ausgebildet ist, den Basisteil 15 der zu bearbeitenden Turbinenschaufel einzustellen, und einen zweiten, nach oben stehenden Block 114 der mit der Befestigungshaube der Turbinenschaufel in Eingriff zu bringen ist. Beim Einrichten einer richtigen Lage für die Basis 15 trägt der Block 112 ein Tragelement 116 aus gehärtetem Stahl und ein Paar von nach oben stehenden Ausrichtstiften 118, 120.

Das Tragelement 116 ist dazu ausgebildet, mit einem der gerippten Teile der Basis 15 in der in Figur 10 gezeigten

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Weise in Berührung zu kommen, wenn die Schaufel 10 in der dargestellten Lage festgeklemmt wird. Gemäß Figur 14 trägt der Block 114 zwei Flächenelemente 122 und 124 aus gehärtetem Stahl, die dazu ausgebildet sind, mit den Kanten 28 bzw. 32 der Befestigungshaube in Berührung zu kommen. Zusätzlich ist ein Stift 126 aus gehärtetem Stahl vorgesehen, der mit der Kante 30 der Befestigungshaube in Berührung zu bringerja.st, wenn die letztere in ihrer Lage festgeklemmt wird.

Wie insbesondere aus Figur 13 ersichtlich, ist ein Klemmarm 128 vorgesehen, der schwenkbar auf einem nach oben stehenden Trägerblock 130 mittels eines Stiftes 132 angebracht ist. Die Klemme hat ein Flächenelement 134 generell zylindrischer Ausbildung, das in die konkave aerodynamische Fläche der Turbinenschaufel in der in Figur 14 gezeigten Weise aufgenommen werden kann. In dem Block 130 ist eine Schraube 136 getragen, die eine Führung für eine Feder 138 bildet, die sich wiederum gegen das Endstück der Klemme 128 abstützt. Ferner ist auf der Grundplatte 106 ein zusätzlicher Block 140 angebracht, und eine Schraube 142 mit manuell erfassbarem Knopf 144 erstreckt sich in eine rohrförmige Führungsbuchse 146 zur Berührung mit einem Betätigungsstift 148. Das eine Ende dieses letzteren stützt sich gegen einen Endteil der Klemme 128 um deren Schwenkbewegung hervorzurufen. Wie leicht zu verstehen, wird beim Vorschub der

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Schraube 142 der Klemme 128 eine Bewegung -entgegen dem Uhrzeigersinn um den Schwenklagerstift 132 erteilt, so daß das Oberflächenelement 134 in Berührung mit der konkaven aerodynamischen Fläche der Turbinenschaufel gebracht wird. Ein solches Festklemmen ist in Figur O-ustriert.

Mit der Halterung gemäß Figur 10 bis 14 wird die genaue Positionierung der Turbinenschaufel fast vollständig durch die Berührung durch die Kante der Befestigungshaube 20 mit den entsprechenden Oberflächenelementen 112, 124 und dem Stift 126 bestimmt.

Das Tragelement 116 und die Positionsstifte 118, 120 ." erstellen lediglich ein Widerlager für den Basisteil der Turbinenschaufel dar, wenn das Flächenteil 134 in Berührung mit der aerodynamischen Fläche der Turbinenschaufel gebracht worden ist.

Figur 14 zeigt in gesichelter Linie eine Führung gegen die die Grundplatte 106 der Halterung während des Schleifvorganges gleitend geführt werden kann. Ferner ist in Figur 14 ein Schleifrad 152 gezeigt, das drehbar von einer angetriebenen Welle 154 getragen wird. Die aufzuarbeitende Turbinenschaufel wird erst in der Halterung nach Figur 7 bis 9 heruntergeschliffen und dann in die Halterung gemäß -Figur 10 bis 14 eingesetzt

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in der die Kante 24 zur Eingriff mit dem Schleifrad angeordnet wird. Wenn die Halterung gleitend längs der Führung 150 "bewegt wird, ein sorgfältig gesteuerter Anteil der Kante 24 entfernt. Der absolute Anteil von zu entfernenden Material wird experimentell bestimmt und hängt teilweise von der Schwere des eingetretenen Verschleisses an den zu reparierenden Turbinenschaufel ab. Nach Beendigung dieses Schleifschrittes trägt die Kante 24 eine feste dimensionale Beziehung bezüglich des übrigen Teiles der Befestigungshaube 20 der Turbinenschaufel und bezüglich der übrigen Teile der Turbinenschaufel, nämlich der aerodynamischen Oberfläche und der Basis 15.

Die Turbinenschaufel wird aus der Halterung entfernt und kann wahlweise einem Entgratungsvorgang beispielsweise in Form einer Sandstrahlbehandlung und mit Teilchengröße von 0,13 bis 0,25 mm unterworfen werden, wie dies in Figur 20 gezeigt ist. Die Düse des Sandstrahlgerätes ist bei 153 und der Sandstrahl selbst bei 155 gezeigt. Figur 20 zeigt auch in gestrichelter Linie die Lagen der Original-Kanten in Nachbarschaft der Z-Nuten, während die Lage der heruntergeschliffenen Kanten in vollen Linien dargestellt ist. Diese heruntergeschliffenen Kanten haben kleine Grate, die sich aus der Schleifbehandlung ergeben und die durch das Sand-

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strahlen entfernt werden.

Nach dem Entgraten werden die Turbinenschaufeln in eine dritte Halterung eingesetzt wie sie insbesondere in den Figuren 15 bis 19 gezeigt ist. Diese Halterung I56 weist eine längliche generell rechteckige Grundplatte 158 mit einer Reihe von in Abstand angeordneten Nuten 16O auf. Sich von jeder Nut 16O erstreckend ist ein Paar von in Abstand von einander angeordneten Trägerstangen 162 angebracht, die dazu ausgebildet sind, die sich gegenüberliegenden Oberflächen der gerippten "feile 15 der Turbinenschaufel wie in Figur 15 gezeigt aufzunehmen. Am Ende dieser Grundplatte 158 ist ein Paar von sich nach oben erstreckenden Trägern 164, 166 angebracht, die zwei sich miteinander erstreckende Maskenelemente 168, 170 tragen.

In dem Maskenelement I68 ist eine Reihe von Schlitzen 172 angebracht, während eine ähnliche Reihe von Schlitzen 174 in dem Maskenelement I70 vorgesehen ist. Die Anordnung ist derart, daß wenn eine Turbinenschaufel in der in Figun 15 gezeigten Weise auf die Grundplatte 158 gesetzt \irird, der benachbarte Schlitz 172 im wesentlichen in gegenüber der Kante 30 der Befestigungshaube ausgerichtet ist und der benachbarte Schlitz 174 in gleicher Weise im wesentlichen gegenüber der Kante 24 der Befestigungshaube ausgerichtet ist.

909824/0001

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Wie besonders in Figur 17 gezeigt, hat die Grundplatte einen sich nach rückwärts erstreckenden Teil 176 der an einem (nicht gezeigten) geeigneten Träger angebracht ist, um den Halter in einer gewünschten vorher festgelegten Stellung anzubringen. Zusätzlich ist ein länglicher Widerlagerstreifen 178 wie in Figur 16 und 18 gezeigt vorgesehen, gegen den sich der Basisteil 15 der Turbinenschaufel abstützen kann, wenn eine Reihe solcher Turbinenschaufeln in der Halterung eingesetzt wird. Der-Widerlagerstreifen 178 dient dazu, die Schaufeln im wesentlichen gegeneinander ausgerichtet zu halten, während der unten erläuterte Plasma^Spritz-Vorgang abläuft.

Gemäß Figur 19 und entsprechend der Erfindung wird ein neuartiges und verbessertes Verfahren zum firzielen eines Präzisionsaufbaus der heruntergeschliffenen Kanten 24, der Turbinenschaufel geschaffen derart, daß die so aufgebauten Kanten mit enger Tol^eranz die physikalischen Dimensionen und metallurgischen Charakteristik einer neuen Turbinenschaufel aufweisen. Um dies zu erzielen ist,wie dargestellt, eine Plasma-Spritzpistole 180 vorgesehen, mit einer Düse 182 und einer Reihe von Schläuchen 184 bis 190, um der Pistole pulverförmige Metallegierung zusammen mit Sauerstoff-Argon und Wasser zuzuführen. Diese Spritzpistole ist insbesondere dazu ausgebildet,

Q0982A/09U1

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geschmolzenes Metall auf einem Grundteil aufzutragen, wobei die Geschwindigkeit des von der Düse austretenden Stroms oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt.

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Die Spritzpistole 180 hat einen Handgriff 192, und eine Halteleiste 194 erstreckt sich zu einem (nicht gezeigten) geeigneten Support zum genauen Einstellen der Düse 182 der Pistole bezüglich der Schlitze 172 oder 174, und zwar jeweils einem von diesen.

Durch die Erfindung wird ein Strom von geschmolzener Metallegierung aufeinanderfolgend auf den Kanten 24,30 der Befestigungshaube abgelagert, um diese Kante soeben um ein ausreichendes Mass aufzubauen, so dass sie mit enger Toleranz die Originalgeometrie wiedergibt. Der Durchmesser des Stromes in Nachbarschaft des Schlitzes 172 oder 174 ist recht klein in der Grosse von 1,5 bis 1,6 mm. Zusätzlich tritt der Strom aufgrund der Charak-

teristik der Düse in aufgewirbelter Form aus. Diese Vorrichtung wurde als besonders wirksam für Niederschlagen einer dichten, in hohem Masse gleichförmigen Materiallage auf der heruntergeschliffenen Kante gefunden, derart dass das Fertigprodukt mit enger Toleranz den Dimensionen und physikalischen Eigenschaften des neuen Teiles entspricht. Wie leicht zu verstehen, wird bei Einsetzen einer Reihe von Turbinenschaufeln nebeneinander in die Halterung 156 die Spritzpistole von einem Schlitz 172 zum nächsten bewegt und dieser Vorgang so lange fortgesetzt, bis alle Schaufeln an ihren Kanten 30 aufgebaut sindo In ähnlicher Weise wird die

SO9824/O901

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- IQ ~ 2353545

Pistole dann zur anderen Seite der Halterung bewegt und ,jeweils einem der Schlitze 174 gegenübergestellt. Das geschmolzene Metall wird dann durch Plasmaspritzen auf die gegenüberliegenden Stirnkanten 24 aufgetragen. In den Figuren 16 und 19 ist der Plasmaspritzstrahl durch 195 bezeichnet. Es ist leicht zu verstehen, dass die Schlitze 172, 174 die Breite des Strahles 195 begrenzen, innerhalb deren er auf die Kanten 24 bzw. 30 der Befestigungshaube trifft, da ein Teil des Strahls nah seines Umfanges von den Wänden der Maskenelemente 168, 170 in unmittelbarer Nachbarschaft der Schlitze 172, abgefangen wird.

jSoweit die aufzuarbeitenden Turbinenschaufeln auf Kobaltbasis hergestellt sind, kann beispielsweise eine Legierung im wesentlichen folgender chemischer Analyse benutzt werden:

1.	Kohlenstoff	809824/09!	0.09
2.	Silizium	Oo 22
3.	Mangan	1.55
4.	Phosphor	0.018
5.	Schwefel	0.007
6.	Chrom	20.32
7.	Nickel	10.56
8.	Wolfram	14.30
9.	Eisen	2.25
10.	Kobalt	50ο685

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Das erfindungsgemässe Verfahren ist jedoch nicht auf die Reparatur von Turbinenschaufeln beschränkt, die auf Kobaltbasis hergestellt sind. Ebensogut können auch Turbinenschaufeln repariert werden, die auf 5 Nickelbasis hergestellt sind, wobei typische Turbinen schaufeln solcher Art etwa folgende Zusammensetzung haben können:

Gewichtsprozent:

min max

Kohlenstoff

Mangan

Phosphor

Schwefel Silizium Chrom

Kobalt

Molybdän

Aluminium Tantal Hafnium

Titan

Bor

Zirconium Eisen Wolfram

Columbium

Wismuth

Blei

Θ09824/0901

0,08	0.13
—	0.20
—	0.015
—	0.015
	0.25
7.50	8.50
9.50	10„50
5.75	6.25
5.75	6.25
4.00	4.50
1.05	1.25
0.80	1.20
0.010	0.020
—	0_o13
—_	0.10
—	0.10
—	Oo00005
	0.0005

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mxn max

Selen 0_o0003

Tellur variabel

Thallium variabel

Nickel Rest

In solchem Fall würde das für das Plasmaspritzen benutzte Pulver ähnliche Zusammensetzung wie oben aufweisen. Es ist zu verstehen, dass kleine Abweichungen in den relativen Verhältnissen der oben angeführten Materialien eintreten können und dabei gleich gute oder möglicherweise sogar verbesserte Ergebnisse erzielt werden.

Auf das Plasmaspritzen folgend werden die Turbinenschaufeln bei 1079° G ± 14° C über 7,75 Stunden ± 10 Minuten gesintert, um die Bindung an das Basismetall zu altern. Ein geeigneter Sinterofen ist schaubildlich in Fig. 22 wiedergegeben und enthält ein Heizelement 196 und ein Gestell 198, auf das eine Reihe von Schaufeln 10 gelegt werden kann. Nach dem Sintern werden die Turbinenschaufeln gekühlt mit einer Geschwindigkeit von 19 bis 20° C pro Minute oder schneller in einer Atmosphäre von Wasserstoff oder

§0982

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Argon. Fig. 21 zeigt die Schaufel nachdem die Kanten 24,30 ihrer Befestigungshaube um ein durch die voll ausgezogenen Linien wiedergegebenes Mass aufgebaut worden sind, die mit enger Toleranz die Dimensionen neuer Schaufeln wiedergeben, wobei die gestrichelten Linien die Lage der heruntergeschliffenen Kanten vor dem Wiederaufbau durch Plasmaspritzen anzeigen„ Zur Vervollständigung des vorliegenden Verfahrens wird der Zeitraum, in welchem der Plasmastrahl gegen die Kante der Befestigungshaube gerichtet wird, sorgfältig gesteuert, weil dies das Mass für den Niederschlag von Metall ist, so dass tatsächlich keine zusätzlichen Oberflächenbearbeitungen mehr erforderlich sind. Dies ist in starkem Widerspruch zu den früheren Verfahren zum Wiederaufbereiten, in denen nach dem Aufbringen von Material ggf. auch durch Plasmasprühen auf eine Werkstück eine beträchtliche Oberflächenbehandlung in Art von Schleifen und bzw. oder Polieren erforderlich war. Mit dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtung wurde gefunden, dass solche Nachbehandlung bzw. Oberflächenbearbeitung nicht nötig ist» Stattdessen kann die Turbinenschaufel aus der Halterung 156 genommen, gesintert, poliert, inspiziert und da-

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~~ Si - ■■

nach sofort wieder in Benutzung genommen werden. Die wiederaufgebauten Kantenteile entsprechen - wie gefunden wurde - den hohen Anforderungen für den Betrieb, wie sie auch an neue Turbinenteile gestellt werden. Es wurde gefunden, dass die Auflage besonders dicht und homogen ist und in enger Toleranz die Zusammensetzung des Grundmetalls wiedergibt. Es wurde ferner gefunden, dass das aufgebundene Material geeignet ist, geeignete Härte bis zu einer Temperatur von etwa 990° C (1800° P) beizubehalten, was erheblich oberhalb der Betriebstemperatur liegt, denen Turbinen, die mit solchen Schaufeln ausgerüstet sind, unterworfen werden.

Wie ersichtlich, wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Wiederaufbereiten von Turbinenschaufeln geschaffen, das- mit enger Toleranz die Dimensionen der neuen Teile wiederherstellt und dabei hohe Verlässlichkeit der wiederhergestellten Teile über grosse Betriebszeiträume gewährleistet. Das neue Verfahren stellt daher einen erheblichen Portschritt gegenüber der bekannten

Technologie zum Reparieren von Turbinenschaufeln dar.

809824/0901

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Während im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Behandlung der Kanten 24,30 von Z-Nuten erläutert wird, ist zu verstehen, dass sich die Erfindung nicht auf die Behandlung solcher speziellen Kanten beschränkt sondern stattdessen auch zur Behandlung anderer Kanten der Befestigungshaube, beispielsweise der Kanten 22,26,28 und 32 herangezogen werden kann.

Alle in den Patentansprüchen, der Beschreibung und in der Zeichnung wiedergegebenen Merkmale des Anmeldungsgegenstandes können für sich allein oder in jeglicher Kombination von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung sein.

909824/0901

Lee rsei te

Claims

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRICH SEIDS Wiesbaden-Bierstadt · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 12068 · Telefon (0 6121) 56 53 82 Postscheck Frankfurt/Main 181008 · Bank Deutsche Bank 3956372 · Nass. Sparkasse 108003065

fJalvatore Joseph CRETxIiLLA Wiesbaden, den 8. Dezember 1978 rlatttiew BERHARi)O C 147 S/m

Thomas De KUSIS -

Patentansprüche :

( 1) Verfahren zum Reparieren verschlissener Turbinenschaufeln aus I-Ietallegierung, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

- eine Kante des Z-iiutteiles der Befestigungshaube am einen Ende der Schaufel wird auf eine genaue Dimension heruntergeschlii'f en;

- die -öef estigungshaube wird auf beiden Seiten dieser Kante nach dem Schleifen abgedeckt;

- die heruntergeschliffene Kante wird einem. Hetalllegierung enthaltenden Plasmastrom ausgesetzt und

so auf ihre ursprüngliche Dimension wieder aufgebaut;

- danach wird die Schaufel bei erhöhter Temperatur über vorher festgelegte Zeitdauer zur Alterung gesintert.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daf3 das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 108O⁰C (1975⁰F) ausgeführt wird.
ORIGINAL INSPECTED
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5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch αel:ennzeichnet, da3 das Sintern in einer Argon enthaltenden Atmosphäre ausgeführt wird.

4) Verfahren nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre ausgeführt wird.

b) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Ve rf ahrens schritte, daß das Kühlen der Turbinenschaufel nach dem Sintern mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die im wesentlichen nicht merklich unter etwa 20⁰C (35°F) pro Minute liegt.
6) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verfahrensschritt,dass die neruntergeschliffene Kante einem Plasmastrom unterworfen wird, die I-iaßnahuie enthält, daß Metallegierung gegen diese Kante mit einer 'Teilchengeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit gesprüht wird.
7) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt, daß die heruntergeschilffene Kante einem Plasmastrom unterworfen wird, die Maßnahme enthält, daß Metallegierung gegen diese Kante

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mit einer -Teilchengeschwindigkeit in der Größeno-ranung von der doirpelten üchallgeschwindigkeit gesprüht wird.

'■i) 7er:Cahren nach Anspruch 1, dadurch ße3:ermzeichnet, "■ daß der Veriahr ens schritt, daß die herunterge schuf- ';: i'ene kante einem Flasmastroni uail'-enforien wird, die iiaiinahme enthält, daß die Kante mit einer geschmolzenen Legierung besprüht wird, die wesentliche !!engen vom Chrom enthält. ■ .- ■

9) Veri'aiiren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet-,. dai3 der Ve rf ahrens schritt, daß die heruntergeschliffene Kante einem Plasmastrom unterworfen wird, die KaSnahme enthält, daß die Kante mit einer geschmolzenen Legierung besprüht wird, die Silicium in einer Menge von nicht mehr als einigen Prozent enthält.

Vj 10) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Abdeckens der Befestigungshaube die Maßnahme enthält, daß ein Gehäuse um diejenigen Teile der Kante angebracht wird, die wieder aufgebaut werden sollen.

ι ο-a

BAD ORIGINAL

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2 e b 3 5 4

11) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü der Verfahrens schritt des Abdeckens der i3efestigungshaube die Haßnähme enthält, daß eine geschlitzte Metallplatte vor d.en j eiligen Teil der Kante
S gesetzt wird, der wieder aufgebaut v/erden soll.

12) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung an Turbinenschaufeln, deren Iietalllegierung nickel enthält.

13) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die im Plasmastrom enthaltene Metallegierung liickel enthält.

14) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Am^endung auf Turbinenschaufeln aus Ketalllegierung, die Kobalt enthält.

1f? 15) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung des Plasmastroms Kobalt enthält.

16) Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf Turbinenschaufeln, die überwiegend Metalle aus der Gruppe, bestehend aus Kobalt und

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iiiclzel, enthalten. -

I?') Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasraastrom .vorwiegend- ein Metall, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kobalt und ICickel, . enthält..

1:.O Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt, daß die eine Kante der "liefestigungshaube nach dem nerunterschleifen entgratet wird.

19) /erfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte;

- die eine Kante des anderen Z-Iiutteiles der Be-

festi^unfcshaube wird auf eine genau vorher festrele^'te Dimension herunterge schliff en;

1ί.^: - die i3e£estigungshaube vjird zu beiden Seiten der unnittelbar vorhergehenden Kante nach deren ι ieruntersehieifcn abgedeckt und

- die heruntergeschliffene Kante wird einem i-ietallle^ierunf; enthaltenden Plasmastrorn ausgesetzt und so auf ihre ursprüngliche Dimension wieder aufgebaut.

έ 4 / 0 ^ Ö 1

BAD ORIGINAL