DE602004007743T2

DE602004007743T2 - Verfahren zur Herstellung oder Reparatur einer Baugruppe

Info

Publication number: DE602004007743T2
Application number: DE602004007743T
Authority: DE
Inventors: Daniel Belper Derby Clark; Jeffrey Littleover Derby Allen
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-11-03
Also published as: EP1535692A1; EP1535692B1; DE602004007743D1; GB0327552D0; US20050118330A1; US7735223B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur einer Baugruppe, die bei Gasturbinentriebwerken benutzt wird. Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung oder Reparatur von Rotor-Baugruppen, bei denen die Laufschaufeln getrennt hergestellt und mit dem Rotor verbunden werden.
Integrierte Laufschaufelrotor-Baugruppen werden im Kompressorteil und im Turbinenteil eines Gasturbinentriebwerks benutzt. Diese Baugruppen können dadurch hergestellt oder repariert werden, dass getrennt hergestellte Laufschaufeln mit einer Scheibe oder einem Ring verbunden werden.
Eine Technik, die zur Verbindung der Laufschaufeln mit der Scheibe oder dem Ring benutzt werden kann, ist eine Friktionsverschweißung. Bei der Friktionsverschweißung werden entweder die Laufschaufel oder die Scheibe oder beide relativ zueinander bewegt, während sie mit genügender Kraft zusammengedrückt werden, um eine Reibungserhitzung herbeizuführen. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Laufschaufeln mit der Scheibe verbunden.
Die WO 03 068 457 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Halterung eines Bauteils, während er mit einem anderen Bauteil durch Friktionsverschweißung verbunden wird. Eine Turbinenlaufschaufel wird in einer Schaumstruktur verkapselt, die fast perfekt der Oberfläche der Laufschaufel angepasst ist. Die verkapselte Laufschaufel kann dann durch Friktionsverschweißung mit einer Scheibe verbunden werden, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung des aerodynamischen Profils der Laufschaufel besteht. Bei Vollendung des Schweißprozesses werden Gehäuse und Schaum entfernt.
Die Schaufeln werden durch Friktionsverschweißung mit Stummelansätzen aus einem Material verbunden, das vom Umfang der Scheibe vorsteht. Die Geometrie der Stummelansätze ist jedoch derart, dass sie eine unzureichende Steifheit für den Schweißprozess haben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stummelansatz zu schaffen, der eine genügende Steifheit besitzt, um den örtlichen Druckschwingungen und der Reibungserhitzung zu widerstehen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es werden ein erster und ein zweiter Bauteil hergestellt; es wird ein Metallpulver auf einen Abschnitt des ersten Bauteils aufgesprüht, der mit dem zweiten Bauteil zu verbinden ist; das aufgesprühte Metallpulver bewirkt eine Verstärkung des Abschnitts des ersten Bauteils, der mit dem zweiten Bauteil verbunden werden soll; es wird das aufgesprühte Metallpulver eingespannt, um eine Bewegung des Metallpulvers zu verhindern; es wird der zweite Bauteil auf dem besprühten Abschnitt des ersten Bauteils durch Friktionsverschweißung festgelegt, und anschließend wird die Einspannung und das aufgesprühte Metallpulver entfernt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Reparatur einer Baugruppe die folgenden Schritte: es wird ein beschädigter Bauteil von der Baugruppe entfernt; es wird ein Metallpulver auf jenen Abschnitt der Baugruppe aufgesprüht, von dem der beschädigte Bauteil entfernt wurde; wobei das aufgesprühte Metallpulver zur Verstärkung jenes Abschnitts der Baugruppe dient, von dem der beschädigte Bauteil entfernt wurde; es wird das aufgesprühte Metallpulver eingespannt, um eine Bewegung dieses Metallpulvers zu vermeiden; es wird ein neuer Bauteil auf den besprühten Abschnitt der Baugruppe durch Friktionsverschweißung festgelegt, und es wird die Einspannung mit dem aufgesprühten Metallpulver entfernt.
Das aufgesprühte Metallpulver ist vorzugsweise ein Titanpulver mit einer Partikelgröße in der Größenordnung von 1 bis 100 μm.
Gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird das Material bei niedriger Temperatur im Bereich zwischen 0 und 700°C aufgesprüht, und zwar vorzugsweise unter Benutzung entweder eines dynamischen Kaltgas-Sprühverfahrens oder unter Benutzung eines Hochgeschwindigkeits-Flammenverbrennungs-Sprühverfahrens.
Es werden Platten auf die Scheibe geklemmt, die als Einspannung wirken, um eine Bewegung und ein Abblättern des aufgesprühten Materials während der Friktionsverschweißung zu verhindern.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine Teilansicht einer beschaufelten Rotorbaugruppe;
2 veranschaulicht die Friktionsverschweißung einer Laufschaufel, um eine Rotorbaugruppe gemäß 1 zu erzeugen;
3 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung, die zur dynamischen Kaltgasversprühung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
4 ist eine Schnittansicht einer Düse, die geeignet ist zur Hochgeschwindigkeits-Flammenverbrennungs-Ablagerung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 veranschaulicht eine Kompressivlast, die auf ein Metall ausgeübt wird, das auf einen Stummelansatz auf einer Rotorscheibe aufgebracht ist.
In 1 ist eine beschaufelte Rotorscheibe 10 dargestellt, die geeignet ist zur Benutzung im Kompressorabschnitt oder im Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks. Die beschaufelte Rotorscheibe 10 besteht aus einer Vielzahl von Laufschaufeln 14, die am äußeren Umfang einer Rotorscheibe 12 derart festgelegt sind, dass sie sich von dieser radial nach außen erstrecken.
Die Laufschaufeln 14 werden getrennt von der Rotorscheibe 12 hergestellt, und sie werden an dieser durch Friktionsverschweißung festgelegt. Während des Friktionsschweißverfahrens werden die Schaufeln 14 relativ zur Rotorscheibe 12 in Schwingungen versetzt, wie dies aus 2 hervorgeht. Jede Laufschaufel 14 wird tangential, wie durch den Pfeil 15 angedeutet, gegen einen Stummelansatz 13 am äußeren Umfang der Rotorscheibe 12 in Schwingungen versetzt, während eine Radialbelastung 16 ausgeübt wird. Die durch die Schwingungen 15 erzeugte Hitze führt zusammen mit der Belastung 16 zu einer Verschweißung zwischen dem Stummelansatz 13 und der Laufschaufel 14. Die beschaufelte Rotorscheibe 10 wird dann spanabhebend bearbeitet, um all jenes Material zu entfernen, das während des Schweißprozesses extrudiert wurde und um dem Stummelansatz 13 und der Laufschaufel 14 ihre endgültige Form zu verleihen.
Es haben sich Schwierigkeiten ergeben, wenn die Laufschaufeln 14 auf ihrer Rotorscheibe 12 durch Friktionsverschweißung festgelegt wurden. Die Geometrie der Stummelansätze 13 ist derart, dass sie nicht steif genug sind, um den örtlichen Druckschwingungen und der Reibungserhitzung zu widerstehen. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Metallüberzug 18 über den Stummelansatz 13 gespritzt, um diesen während des Friktionsschweißverfahrens zu verstärken (5).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Metallüberzug 18 auf den Stummelansatz 13 unter Benutzung eines Verfahrens gespritzt, das als dynamisches Kaltgas-Sprühverfahren bekannt ist (3). Bei diesem Verfahren wird ein komprimiertes Gas aus einer Hochdruckgasquelle 30 einem Gassteuermodul 32 zugeführt. Das Gas ist Helium, jedoch kann auch Argon, Stickstoff oder eine Mischung dieser Gase benutzt werden. Das benutzte Gas wird auf einen Druck von 100 bis 500 Pfund pro Quadratzoll gebracht.
Das Gassteuermodul 32 spaltet jene komprimierte Gasströmung in zwei Anteile auf. Ein kleiner Anteil des komprimierten Gases gelangt zu einem Pulverfüllschacht 34, der ein Metallpulver enthält. Das benutzte Metallpulver hängt von der speziellen Anwendung ab, aber gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird ein Titanpulver benutzt, das eine Partikelgröße in der Größenordnung von 1 bis 50 μm hat. Das Gas nimmt das Pulver aus dem Füllschacht 34 auf und überführt dies in eine Vorkammer 35 einer Überschalldüse 36. Die Pulverzuführungsrate liegt in der Größenordnung zwischen 500 und 1000 g/h.
Die übrige Gasströmung gelangt nach einer durch Widerstand erhitzten Rohrschlange 38. Das Gas wird auf eine Temperatur von etwa 500°C durch die Rohrschlange 38 erhitzt. Dann gelangt das Gas nach der Vorkammer 35, wo es mit dem Trägergas vermischt wird, das das Titanpulver enthält. Das expandierende Gas und der Partikelstrom treten aus der Düse 36 mit einer Geschwindigkeit zwischen 300 und 1200 m/s aus.
Das Titanpulver wird als Überzug 18 auf dem Stummelansatz 13 auf der Scheibe 12 abgelagert. Die Düse 36 wird in einer Sprühdistanz zwischen 12 und 50 mm gehalten, und der Überzug 18 wird auf beiden Seiten des Stummelansatzes 13 aufgebaut, um ihn zu verstärken.
Ein Computer 39 steuert das dynamische Kaltgas-Sprühverfahren gemäß 3. Der Computer 39 ist so programmiert, dass er das Gassteuermodul 32, den Pulverfüllschacht 34, das Gaserhitzungsmodul 38, die Düse 36 und die gesamte Messwerterfassung steuert.
Das dynamische Kaltgas-Sprühverfahren hat den Vorteil, dass der Überzug 18 die Eigenschaften der ursprünglichen Titanpartikel aufrecht erhält. Der Überzug 18 wird bei einer niedrigen Temperatur zwischen 0 bis 700°C abgelagert und hat so eine niedrige Restspannung und erhitzt den Stummelansatz 13 oder die Scheibe 12 nicht, auf denen der Überzug abgelagert ist.
Stattdessen kann Titanpulver mit einer Partikelgröße von 10 bis 100 μm auf den Stummelansatz 13 unter Benutzung eines Hochgeschwindigkeits-Flammenverbrennungs-Sprühverfahrens aufgebracht werden. Bei diesem Prozess wird eine Düse 40 benutzt, wie diese in 4 dargestellt ist.
Sauerstoff, Wasserstoff und ein Brennstoff werden an die Düse 40 abgegeben und dann mit dem Titanpulver vermischt. Die Düse 40 wird durch eine Wasserumhüllung gekühlt, und sie besitzt einen konvergierenden/divergierenden Abschnitt, der das Titanpulver auf eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von 350 m/s beschleunigt. Die Düse 40 sprüht das Pulver auf den Stummelansatz 13. Die Düse 40 wird auf einer Sprühdistanz in der Größenordnung von 400 mm gehalten und unter einem Winkel von 45° bis 90° gegenüber der Oberfläche angestellt. Der Überzug 18 wird bei einer Temperatur von 200°C bei einer Rate von 500 bis 1000 g/h abgelagert.
Nachdem der Stummelansatz 13 mit der Pulverbesprühung überzogen ist, entweder unter Benutzung des dynamischen Kaltgas-Sprühverfahrens oder unter Benutzung einer Hochgeschwindigkeits-Flammenverbrennungsdüse 40, wird das Pulver zur Verhinderung einer Bewegung eingespannt. Zu diesem Zweck werden Platten 20 auf die Stirnseiten der Rotorscheibe 12 aufgeklemmt, und diese spannen den Überzug 18 ein, wie dies aus 5 ersichtlich ist, um eine Abblätterung des Überzuges 18 während des Friktionsschweißverfahrens zu verhindern.
Dann werden die Laufschaufeln 14 auf die Rotorscheiben-Stummelansätze 13 unter Benutzung einer herkömmlichen Friktionsschweißtechnik aufgeschweißt. Die Laufschaufeln 14 werden relativ zur Rotorscheibe 12 in Schwingungen versetzt, während eine Radialkraft 16 ausgeübt wird. Nachdem jede der Laufschaufeln 14 auf den jeweiligen Stummelansatz 13 aufgeschweißt ist, werden die Klemmplatten 20 entfernt, und der aufgesprühte Überzug 18 wird spanabhebend abgetragen.
Das beschriebene Verfahren bezieht sich auf die Herstellung eines neuen beschaufelten Rotors, jedoch ist es klar, dass das Verfahren auch benutzt werden kann, um einen beschaufelten Rotor zu reparieren, der beschädigte Laufschaufeln aufweist. Dazu werden die beschädigten Laufschaufeln entfernt, und zwar unter Belassung eines Stummelansatzes, auf den der Metallüberzug aufgesprüht wird. Der aufgesprühte Überzug wird dann eingespannt, während eine neue Laufschaufel durch Friktionsverschweißung auf dem Stummelansatz festgelegt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe (10), bei dem zunächst ein erster Bauteil (12) und ein zweiter Bauteil (14) hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallpulver (18) auf einen Abschnitt des ersten Bauteils (12) aufgesprüht wird, der mit dem zweiten Bauteil (14) verbunden werden soll, wobei das aufgesprühte Metallpulver (18) als Verstärkung für jenen Abschnitt (13) des ersten Bauteils (12) dient, der mit dem zweiten Bauteil (14) verbunden werden soll, und dass dann das aufgesprühte Metallpulver (18) mit einer Einspannung (20) versehen wird, um eine Bewegung des Metallpulvers zu vermeiden, worauf der zweite Bauteil (14) auf dem besprühten Abschnitt (13) des ersten Bauteils (12) durch Friktionsverschweißung festgelegt wird und danach die Einspannung (20) und das aufgesprühte Metallpulver (18) entfernt werden.
Verfahren zur Reparatur einer Baugruppe (10), bei dem zunächst der beschädigte Bauteil von der Baugruppe (10) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallpulver (18) auf den Abschnitt (13) der Baugruppe (10) aufgesprüht wird, von der der beschädigte Bauteil entfernt wurde, wobei das aufgesprühte Metallpulver (18) zur Verstärkung des Abschnitts (13) der Baugruppe (10) dient, von der der beschädigte Bauteil entfernt wurde, und dass das aufgesprühte Metallpulver (18) mit einer Einspannung (20) versehen wurde, um eine Bewegung des Metallpulvers zu verhindern, worauf ein neuer Bauteil (14) auf den aufgesprühten Abschnitt (13) der Baugruppe (10) durch Reibungsverschweißung festgelegt wird und die Einspannung (20) und das aufgesprühte Metallpulver (18) entfernt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver (18) bei niedrigen Temperaturen aufgesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Bereich zwischen 0 und 700°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver Titan ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanpulver eine Partikelgröße in der Größenordnung zwischen 1 und 100 μm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver (18) unter Benutzung eines dynamischen Kaltgas-Sprühverfahrens aufgesprüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver (18) unter Benutzung eines Hochgeschwindigkeits-Flammenverbrennungs-Sprühverfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannung (20) aus Platten besteht, zwischen denen das aufgesprühte Metallpulver (18) eingeklemmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (10) ein beschaufelter Rotor ist.