DE60130722T3

DE60130722T3 - Verfahren zum Reparieren von Gasturbinenleitschaufeln aus Nickel- oder Kobaltlegierung durch Hartlöten

Info

Publication number: DE60130722T3
Application number: DE60130722.4T
Authority: DE
Inventors: William Gerald Messeling; David Edwin Budinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: EP1197290A3; DE60130722T2; BR0104522B1; EP1197290B2; BR0104522A; DE60130722D1; EP1197290B1; US6464128B1; SG95680A1; EP1197290A2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines feststehenden Deckbandes eines Gasturbinentriebwerks (siehe Anspruch 1).
In einem Flugzeug-Gasturbinen-(Strahl)-Triebwerk wird Luft in die Eingangsseite des Triebwerks eingesaugt, durch einen auf einer Welle montierten Verdichter komprimiert und mit Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird verbrannt und die heißen Verbrennungsgase werden durch eine auf derselben Welle befestigte Turbine geleitet. Der Strom der Verbrennungsgase dreht die Turbine durch seinen Aufprall auf einem Schaufelblattabschnitt der Turbinenlaufschaufeln und Leitschaufeln, welche die Welle dreht und Energie an den Verdichter liefert. Die heißen Abgase strömen aus dem Triebwerk, indem sie dieses und das Flugzeug nach vorne antreiben.
Die Turbinenlaufschaufeln sind auf einer Turbinenscheibe befestigt, welche auf einer Welle innerhalb eines durch eine hohle feststehende Deckbandstruktur definierten im Wesentlichen zylindrischen Tunnels rotiert. Die feststehende Deckbandstruktur wird von einer Reihe feststehender Deckbänder gebildet, die sich um den Umfang des Tunnels in zusammenhängender Weise erstrecken. Die feststehende Deckbandstruktur besitzt eine solche segmentierte Anordnung, um die während jedes Triebwerkzyklus erfahrene Wärmeausdehnung aufzunehmen, wenn die feststehende Deckbandstruktur einen Zyklus zwischen Raumtemperatur und einer maximalen Betriebstemperatur von über 1093°C (2000°F) durchläuft. Jedes von den feststehenden Deckbändern besitzt eine interne Gaspfadoberfläche, die ein Segment eines Zylinders ist, und eine Halterungsstruktur, welche die Gaspfadoberfläche unterstützt und eine Befestigung zur benachbarten Struktur bereitstellt.
Während des Betriebs kann die Halterungsstruktur der Deckbänder durch Ermüdung, Erosion und andere Mechanismen beschädigt werden. Eine Form der Beschädigung ist der Abtrag von Material von den Deckbändern an Stellen, wie zum Beispiel den Endflächen, den vorderen und hinteren Kanten und anderswo. Da Material abgetragen wird, und während mehreren Reparaturzyklen Material durch Bearbeitungsvorgänge entfernt wird, erreicht das Deckband in wenigstens einer Abmessung der Halterungsstruktur allmählich ein Untermaß. Wenn das Deckband in wenigstens einer Abmessung der Halterungsstruktur zu klein geworden ist, um weiter seine Funktion zu erfüllen, wird es ausgesondert.
Bekannte Reparaturverfahren, die auf Gasturbinenkomponenten angewendet werden, sind in US 5 705 281 , US 6 103 186 und EP 1 013 788 offenbart, wobei letzteres den relevantesten Stand der Technik für den Anspruch 1 repräsentiert.
Es gibt einen Bedarf nach einem verbesserten Lösungsweg, um auf derartige Beschädigungen an den Gasturbinendeckbändern zu reagieren. Die Deckbänder bestehen aus teueren Superlegierungen auf Nickelbasis oder Kobaltbasis, und die Aussonderung eines Deckbandes stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf, und stellt weitere zugehörige Vorteile bereit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Reparieren eines feststehenden Deckbandes eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem Anspruch 1 definiert.
Das Deckbandmaterial ist entweder eine Superlegierung auf Nickelbasis, und das Reparaturmaterial wird dementsprechend ausgewählt. Das erste Pulver und das zweite Pulver, welche das Reparaturmaterial bilden, können als rieselfähiges Pulver bereitgestellt werden, oder können zuerst vermischt und zusammengesintert werden, um einen vorgesinteten Kompaktkörper zu erzeugen. Die Verwendung eines vorgesinteten Kompaktkörpers wird für Standardreparaturstellen wie zum Beispiel zur Verwendung an den Endflächen bevorzugt.
Die Reparatur wird bevorzugt an den Endflächen ausgeführt, welche an den Endflächen benachbarter Deckbänder im Betrieb anliegen, und allmählich Untermaß erreichen. Das reparierte Deckband ist zu einem kleinen Bruchteil der Kosten eines neuen Deckbandes voll funktions- und einsatzfähig.
Der vorliegende Lösungsweg erzielt ein vollständig einsetzbares repariertes Deckband, das die Anzahl ausgesonderter Deckbänder reduziert. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche in Beispielform die Prinzipien der Erfindung darstellen, und in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel in einer Position angrenzend an eine Deckbandstruktur ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Deckbandes von der Halterungsstrukturseite aus ist; und
3 eine Blockdarstellung eines Verfahrens zum Reparieren des Deckbandes ist.
1 stellt eine auf einem Umfang 22 einer Turbinenscheibe 24 befestigte Turbinenlaufschaufel 2 dar. Es ist eine große Anzahl von Turbinenlaufschaufeln 20 in dieser Weise auf der Turbinenscheibe 24 befestigt, aber nur eine davon ist dargestellt. Die Turbinenscheibe 24 dreht sich auf einer (nicht dargestellten) Turbinenwelle, die entlang ihrer Mittellinie positioniert ist. Sobald sich die Turbinenscheibe 24 dreht, überstreicht die Turbinenlaufschaufel 20 ein ringförmiges Volumen zwischen der Turbinenscheibe 24 und einer feststehenden Deckbandstruktur 26, wovon ein Teil des Umfangs schematisch in 1 und detailliert in 2 dargestellt ist. Die Deckbandstruktur 26 definiert in ihrer Gesamtheit einen Tunnel 28, in welchem die Turbinenscheibe 24, die Turbinenwelle und die Turbinenlaufschaufel 20 rotieren. Heiße Verbrennungsgase strömen aus einer (nicht dargestellten) Brennkammer durch das ringförmige Volumen des Tunnels 28 zwischen den Umfang 22 der Turbinenscheibe 24 und der Deckbandstruktur 26, wobei sie auf die Turbinenlaufschaufel 20 auftreffen und die Turbinenscheibe 24 und die Welle veranlassen, sich zu drehen.
Die Deckbandstruktur 26 ist aus einer Anzahl einzelner Deckbänder 30 ausgebildet, die in einer durchgehenden Anordnung um den Umfang des Tunnels 28 herum angeordnet sind. Eines von den Deckbändern 30 ist detaillierter in 2 dargestellt. Das Deckband 30 besitzt eine Gasströmungspfad-Oberfläche 32 (die Unterseite des Deckbandes 30 in der Sicht von 2), welche der Turbinenlaufschaufel 20 gegenüberliegt.
Eine Halterungsstruktur 34 bildet die von der Gasströmungspfad-Oberfläche 32 ferne Rückseite des Deckbandes. Die Halterungsstruktur 34 enthält entgegengesetzt angeordnete Endflächen 36, die an den Endflächen der angrenzenden Deckbänder 30 anliegen, sowie eine entgegengesetzt angeordnete Vorderkante 38 und Hinterkante 40. Zusätzliche strukturelle Merkmale, deren Details und Funktionen die vorliegende Erfindung hierin nicht betreffen, beinhalten eine vordere Nut 42, eine hintere Nut 44, eine Laufspur 46, Giesrippen 48 und eine Rückseitenoberfläche 50.
Während des Betriebs können ein oder mehrere Merkmale der Halterungsstruktur 34 durch Abtrag von Metall so beschädigt werden, dass sie ein Untermaß annehmen. Zu Beginn ist eine gewisse derartige Beschädigung akzeptabel, aber schließlich liegt das Merkmal so weit unter seiner erwünschten spezifizierten Betriebsminimalabmessung, dass es nicht mehr funktionsfähig ist. In der Vergangenheit war es Praxis, das gesamte Deckband zu diesem Zeitpunkt auszusondern. Die vorliegende Erfindung stellt eine Reparaturtechnik für die Halterungsstruktur 34 des Deckbandes 30 dergestalt bereit, dass es aus dem Triebwerk ausgebaut, repariert und dann wieder in Betrieb genommen werden kann.
3 stellt ein bevorzugtes Verfahren für die Ausführung der Reparatur dar. Ein feststehendes Deckband 30 eines Gasturbinentriebwerks wird bereitgestellt, Bezugszeichen 60. Das Deckband 30 weist einen Reparaturbereich mit Untermaß auf. Das heißt eine Abmessung des Deckbandes 30 weist weniger als eine spezifizierte Betriebsminimalabmessung auf. Der wichtigste aktuelle Reparaturbereich, welcher im Detail der Eindeutigkeit halber diskutiert wird, ist der Verlust von Material von den Endflächen 36, die an den Endflächen der benachbarten Deckbänder anliegen. Gemäß Darstellung in 2 gibt eine spezifizierte Betriebsminimalabmesung D, die Breite der Gießrippe 48, die Gesamtsehnenlänge des Deckbandes 30 zwischen den gegenüberliegend angeordneten Endflächen 36 an. Wenn D zu klein ist, ist das Deckband 30 in der Umfangsrichtung zu kurz und passt nicht richtig zu den benachbarten Deckbändern, was eine Turbinengasleckage zwischen den Deckbändern und eine dementsprechende Absenkung im Betriebswirkungsgrad ergibt.
Das Deckband 30 und dessen Reparaturbereich, in diesem Falle der Reparaturbereich 36 werden mittels einer Technik repariert, welche eine aktivierte Diffusionsausheilungs-Hartlötreparatur gemäß Bezugszeichen 62 umfasst. Ein Reparaturmaterial wird bereitgestellt Bezugszeichen 64. Das Reparaturmaterial ist eine ausreichende Menge eines ersten Anteils eines ersten Pulvers einer ersten Legierungskomponente und ein zweiter Anteil eines zweiten Pulvers einer zweiten Legierungskomponente, um den Reparaturbereich zurück auf seine gewünschte Abmessung zu reparieren. Die erste Legierungskomponente und die zweite Legierungskomponente können unterschiedliche Solidus-Temperaturen haben. Das Reparaturmaterial, das später als ein geschmolzenes Gemisch des ersten Pulvers und des zweiten Pulvers erzeugt wird, hat eine niedrigere Solidus-Temperatur als die eines Deckbandmaterials, das den Reparaturbereich ausbildet.
Das erste Pulver und das zweite Pulver werden gemäß dem Deckbandmaterial ausgewählt, das den Reparaturbereich bildet.
Für eine Superlegierung auf Nickelbasis wie zum Beispiel Rene N5 ist die Zusammensetzung in Gewichtsprozent etwa 6 bis 6,4% Aluminium, von 6,75 bis 7,25% Chrom, von 7 bis 8% Kobalt, von 0,12 bis 0,18% Hafnium, von 1,3 bis 1,7% Molybdän, von 2,75 bis 3,25% Rhenium, von 6,3 bis 6,7% Tantal, von 4,75 bis 5,25% Wolfram, eine Summe von Aluminium plus Tantal von etwa 12,45% Minimum, und der Rest Nickel und Verunreinigungen. Wenn das Deckbandmaterial eine Superlegierung auf Nickelbasis wie zum Beispiel Rene N5 ist, weist die erste Legierungskomponente eine vorlegierte Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 10% bis 20% Kobalt, von 14 bis 25% Chrom, von 2 bis 12% Aluminium, von 0 bis 0,2% Yttrium, und den Rest Nickel und Verunreinigungen auf. Die zweite Legierungskomponente weist eine vorlegierte Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 10 bis 20% Kobalt, von 14 bis 25% Chrom, von 2 bis 12% Aluminium, von 2 bis 12% Silizium, den Rest Nickel und Verunreinigungen auf. Der erste Anteil ist etwa 55 bis etwa 80 Gewichtsprozent, bevorzugt etwa 69,5 Gewichtsprozent. Der zweite Anteil ist 45 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent, bevorzugt etwa 31,5 Gewichtsprozent.
Die zwei Arten individuell vorlegierter Pulver können in einer losen frei rieselnden Form vorgesehen sein. Sie können auch als ein vorgesinterter Kompaktkörper vorgesehen sein. Beide Lösungswege sind durchführbar, obwohl die Verwendung des vorgesinteten Kompaktkörpers für Produktionsoperationen praktikabler ist. In diesem letzteren Lösungsweg werden die Pulver miteinander vermischt, mit einem Binder in eine gewünschte Form gepresst und gesintert, indem sie auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die Pulver sintern aber nicht beide schmelzen. Es ist nicht erforderlich, dass der vorgesinterte Kompaktkörper eine hohe relative Dichte besitzt (das heißt, eine geringe Porösität), da er später geschmolzen wird. Der vorgesinterte Kompaktkörper ist leichter zu handhaben und zu positionieren, als die frei rieselnden Pulver, und es ist weniger Verdichtung und Schrumpfung in dem anschließenden Schmelzvorgang vorhanden. Eine Kombination dieser Lösungswege kann erwünscht sein. Beispielsweise kann der vorgesinterte Kompaktkörper mit der Endseite 36 in Kontakt gebracht werden und frei rieselnde Pulver können in die benachbarten Abschnitte der Nuten 42 und 44 gepackt werden.
Das Reparaturmaterial wird in den Reparaturbereich eingebracht, Bezugszeichen 66. Das Reparaturmaterial kann das Gemisch der frei rieselnden Pulver, des vorgesinterten Kompaktkörpers oder eine Kombination beider Lösungswege sein. Die Menge des Reparaturmaterials wird so gewählt, dass nach dem anschließenden Schmelzen und Bearbeiten der Reparaturbereich in seiner gewünschten Abmessung wiederhergestellt ist Das Reparaturmaterial und der Reparaturbereich werden auf eine Hartlöttemperatur erhitzt, um wenigstens einen Teil des Reparaturmaterials aber nicht des Deckbandmaterials des Reparaturbereichs zu schmelzen, Bezugszeichen 68. Im Falle der vorstehend diskutierten Reparaturmaterialien für die Legierungen auf Nickelbasis liegt die Hartlöttemperatur zwischen 1198,8°C (2190°F) bis 1279,4°C (2335°F) bevorzugt von 1260°C (2300°F) bis 1273,8°C (2325°F). Bei der Hartlöttemperatur schmilzt das Pulver mit der niedrigeren Solidus-Temperatur um die Verbindung mit dem Deckband und den Verdichtungsprozess zu beschleunigen, während das Pulver mit der höheren Solidus-Temperatur fest bleibt, so dass die Pulvermenge im Wesentlichen ihre Form beibehält.
Nach einer kurzen Zeit bei der Hartlöttemperatur, typischerweise in der Größenordnung von 20 Minuten bis 2 Stunden, bevorzugt etwa 2 Stunden, werden das geschmolzene Reparaturmaterial und der Reparaturbereich unter die Solidus-Temperatur des geschmolzenen Reparaturmaterials abgekühlt, um das Reparaturmaterial zu verfestigen, Bezugszeichen 68. Das Reparaturmaterial verfestigt sich in Verbindung mit dem Deckband. Das Ergebnis ist ein Deckband 30, in welchem der Reparaturbereich kein Untermaß mehr hat.
In den meisten Fällen wird die Menge des Reparaturmaterials so gewählt, dass der Reparaturbereich nach den Hartlöt- und Kühlschritten ein Übermaß hat. Obwohl es wünschenswert wäre, genau auf die richtige Größe nach dem Hartlöten und Abkühlen zu reparieren, ist es typischerweise nicht möglich, die Menge und Verteilung des Reparaturmaterials so genau zu steuern. Demzufolge wird der Reparaturbereich mit Übermaß hergestellt und dann auf die korrekte Größe mit den notwendigen Details wie zum Beispiel den Nuten 42 und 44 bearbeitet, Bezugszeichen 70.

Claims

Verfahren zum Reparieren eines aus einer Superlegierung auf Kobaltbasis bestehenden feststehenden Deckbandes (30) mit den Schritten: Bereitstellen des aus einem Deckbandmaterial bestehenden feststehenden Deckbandes (30) des Gasturbinentriebwerks mit einem Untermaß-Reparaturbereich, wobei der Reparaturbereich eine Endfläche (36) oder eine Kante (38, 40) oder eine nicht auf einer Gasströmungspfadfläche (32) des feststehenden Deckbandes (30) des Gasturbinentriebwerks angeordnete Rückseitenfläche (50) ist; Reparieren des Reparaturbereichs des feststehenden Deckbandes (30) des Gasturbinentriebwerks so, dass der Reparaturbereich kein Untermaß mehr aufweist, wobei der Reparaturschritt die Schritte umfasst: Bereitstellen einer ausreichenden Menge eines Reparaturmaterials, das aufweist: einen ersten Anteil eines ersten Pulvers einer ersten Legierungskomponente, der 55 bis 80 Gewichtsprozent der Menge ausmacht, und einen zweiten Anteil eines zweiten Pulvers einer zweiten Legierungskomponente, der 45 bis 20 Gewichtsprozent der Menge ausmacht, wobei die erste Legierungskomponente und die zweite Legierungskomponente unterschiedliche Solidus-Temperaturen haben, Einbringen des Reparaturmaterials in den Reparaturbereich, Erwärmen des Reparaturmaterials und des Reparaturbereichs auf eine Hartlöttemperatur, die ausreicht, um wenigstens einen Teil des Reparaturmaterials, aber nicht das Deckbandmaterial des Reparaturbereichs zu schmelzen, so dass das Reparaturmaterial über den Reparaturbereich fließt, und danach Kühlen des geschmolzenen Reparaturmaterials und des Reparaturbereichs, um das Reparaturmaterial zu verfestigen, wobei das Reparaturmaterial eine niedrigere Solidus-Temperatur als die des Deckbandmaterials hat, wobei die erste Legierungskomponente eine vorlegierte Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 10 bis 20% Kobalt, von 14 bis 25% Chrom, von 2 bis 12% Aluminium, von 0 bis 0,2% Yttrium, den Rest Nickel und Verunreinigungen aufweist, und die zweite Legierungskomponente eine vorlegierte Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 10 bis 20% Kobalt, von 14 bis 25% Chrom, von 2 bis 12% Aluminium, von 2 bis 12% Silizium, den Rest Nickel und Verunreinigungen aufweist.