DE602006000108T2

DE602006000108T2 - Verfahren zur Reparatur einer Reibungsfläche einer verstellbaren Schaufel einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE602006000108T2
Application number: DE602006000108T
Authority: DE
Inventors: Christelle Foucher; Claude Mons; Michel Ruimi
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: FR2881146B1; EP1686239B1; DE602006000108D1; CN1824840A; FR2881146A1; EP1686239B8; CN1824840B; US20060165517A1; US7685712B2; EP1686239A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Oberfläche einer verstellbaren Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere eines Flugzeug-Turbotriebwerks, und betrifft ferner eine verstellbare Schaufel, die dazu gedacht ist, in einer Drehbewegung durch Führungsmittel geführt zu werden, welche fähig sind, mehr oder weniger rasch die Oberfläche der Schaufel zu beschädigen, mit der diese Führungsmittel in Kontakt sind.
Man hat festgestellt, dass die Oberfläche einer Schaufel, die sich in Kontakt mit einer Führungsscheibe befindet, welche um den zylindrischen Schwanz der Schaufel herum zwischen dieser Oberfläche der Schaufel und dem Gehäuse der Turbomaschine angebracht ist, nach ziemlich kurzer Zeit eine relativ starke Abnutzung aufweisen konnte, wenn diese Führungsscheibe an ihrer Kontaktfläche mit der oben genannten Oberfläche oder „Platine" der Schaufel eine ringförmige Erhebung aufweist.
Diese ringförmige Erhebung kann nämlich die Oberfläche der Platine abnutzen und eine ringförmige Rille in ihr ausbilden, woraufhin dann die gesamte Oberfläche der Führungsscheibe auf der Platine der Schaufel reibt und sie durch Verschleiß beschädigt.
Dies äußert sich in einem möglichen Kontakt zwischen der Hinterkante der Schaufel und dem Gehäuse der Turbomaschine, was das Ausbauen und Ersetzen der verstellbaren Schaufel erforderlich macht. Dieser Vorgang ist langwierig und kostenaufwändig.
Wenn die verstellbare Schaufel aus austenitischem Stahl besteht und die Führungsscheibe aus martensitischem Stahl besteht, kann diese Abnutzungserscheinung der Platine der Schaufel rasch auftreten und stellt ein großes Problem dar.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, wirksame und wirtschaftliche Lösung für dieses Problem zu schaffen.
Zu diesem Zweck wird mit ihr ein Verfahren zur Reparatur einer Reibungsfläche einer verstellbaren Schaufel einer Turbomaschine wie beispielsweise eines Flugzeug-Turbotriebwerks vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es darin besteht, bei dieser Oberfläche, die eine Reibungsfläche für Führungsmittel der Schaufel in ihrer Drehbewegung ist und auf Grund ihrer Abnutzung ein Materialdefizit aufweist, dieses Materialdefizit mittels Auftragen eines Produkts aus Metall durch Elektrolyse auszugleichen, sodann auf dem aufgetragenen Produkt aus Metall und auf dem diese Oberfläche umgebenden Bereich mindestens eine dünne Schicht eines harten Materials mit niedrigem Reibungskoeffizient auszubilden.
Diese Reparatur ermöglicht es einerseits, die verstellbare Schaufel, die vorzeitig unter den genannten Bedingungen abgenutzt wurde, wieder verwendbar zu machen, und andererseits, durch den mit der dünnen Schicht eines harten Materials angebrachten Schutz ihre Betriebslebensdauer ausreichend zu verlängern, um zwischen den in regelmäßigen Zeitabständen erfolgenden Wartungsinspektionen an der Turbomaschine keine Risiken mehr einzugehen.
Das Auffüllprodukt aus Metall kann erfindungsgemäß auf der abgenutzten Oberfläche einer Schaufel durch Puffer-Elektrolyse oder durch Elektrolyse im galvanischen Bad oder auch durch Elektrolyse im Mikrobad aufgetragen werden, indem dazu eine geringe Menge elektrolytische Lösung verwendet wird, gerade ausreichend, um ausschließlich oder fast ausschließlich die abgenutzte Oberfläche der Schaufel zu bedecken.
Ein bedeutender Vorteil dieses Verfahrens zum Auftragen von Metall durch Elektrolyse besteht darin, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, die abgenutzte Oberfläche der Schaufel vorher zu bearbeiten.
Das harte Schutzmaterial, das in einer dünnen Schicht auf dem Auffüllmaterial aus Metall aufgebracht wird, kann durch thermisches Spritzen, beispielsweise durch ein Plasmaverfahren oder HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), oder auch durch PVD-Auftragen (Physical Vapor Deposition) oder durch Puffer-Elektrolyse aufgetragen werden, nachdem eine Schleifbearbeitung an dem metallischen Auffüllmaterial vorgenommen wurde.
Dieses harte Material ist vorteilhafterweise härter als das der Führungsscheibe und ist beispielsweise auf Basis von Nickel, Kobalt, Wolfram oder Chrom oder einer Kombination dieser Elemente wie beispielsweise Nickel-Kobalt, Nickel-Wolfram oder Kobalt-Wolfram gebildet.
Mit dieser Erfindung wird ferner eine verstellbare Schaufel einer Leitapparatstufe einer Turbomaschine insbesondere eines Flugzeug-Turbotriebwerks vorgeschlagen, wobei die Schaufel in der Drehbewegung um ihre Achse in einem Schacht eines Gehäuses der Turbomaschine geführt wird und an ihrem radial äußeren Ende eine Oberfläche aufweist, die in Anlage an einer ringförmigen Erhebung einer Führungsscheibe kommt, welche um einen zylindrischen Schwanz der Schaufel herum zwischen dieser Oberfläche und dem Gehäuse der Turbomaschine angebracht ist, wobei die Schaufel dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bereich der Oberfläche der Schaufel, der sich mit der ringförmigen Erhebung der Führungsscheibe in Kontakt befindet, mit einer dünnen Schicht aus hartem Material mit niedrigem Reibungskoeffizient überzogen ist.
Diese Schaufel ist auf diese Weise gut gegen Abnutzung ihrer Platine durch die Führungsscheibe geschützt und hat eine lange Betriebslebensdauer.
Es kann sich entweder um eine neue Schaufel handeln, die insbesondere aus austenitischem Stahl ausgeführt ist und von einer Führungsscheibe aus martensitischem Stahl geführt wird, und deren Platine durch eine dünne Schicht aus Material, das härter ist als das der Führungsscheibe, geschützt ist, oder um eine Schaufel, die mit dem oben beschriebenen Verfahren repariert wurde und mit einer ausreichenden Betriebslebensdauer wieder in Betrieb genommen werden kann.
Die Erfindung und weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 in einer schematischen Teilansicht im Axialschnitt einen Hochdruckverdichter einer Turbomaschine zeigt,
2 eine Teilansicht in vergrößertem Maßstab von 1 zeigt,
3 in einer schematischen Teilansicht im Axialschnitt eine verstellbare Schaufel einer Turbomaschine mit abgenutzter Platine zeigt,
4 bis 6 schematisch Mittel zur Ausführung eines ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen,
7 in einer schematischen Teilansicht im Schnitt eine neue Schaufel zeigt, deren Platine eine Schicht aus hartem Material mit niedrigem Reibungskoeffizient aufweist,
8 eine Ansicht zeigt, die der 3 entspricht und die Platine der Schaufel darstellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren repariert wurde.
In 1 wurde schematisch im Axialschnitt ein Teil eines Hochdruckverdichters 10 einer Turbomaschine, insbesondere eines Flugzeug-Turbotriebwerks, mit mehreren Stufen dargestellt, wobei jede Stufe eine ringförmige Reihe bewegbarer Schaufeln 12, die an dem (nicht dargestellten) Rotor der Turbomaschine sitzen, und eine ringförmige Reihe feststehender Schaufeln 14, die Leitschaufeln bilden und an einem Gehäuse 16 des Stators der Turbomaschine sitzen, enthält, wobei die Winkelausrichtung der Schaufeln 14 einstellbar ist, um die Gasströmung in dem Verdichter 10 zu optimieren.
Jede Schaufel 14 weist ein Schaufelblatt 18 und einen radial außen gelegenen zylindrischen Schwanz 20 auf, die durch eine Scheibe oder „Platine" 22 miteinander verbunden sind, welche sich im rechten Winkel zur Achse 24 der Schaufel in einer entsprechenden Aufnahme 26 des Gehäuses 16 erstreckt, wobei die radial innen gelegene Oberfläche 28 der Scheibe mit der Innenwand 30 des Gehäuses fluchtet, um dem Gasstrom keinen Widerstand zu bieten.
Der zylindrische Schwanz 20 jeder Schaufel 14 erstreckt sich im Inneren eines radial verlaufenden zylindrischen Schachts 32 des Gehäuses 16, und sein radial äußeres Ende ist über einen Schwingarm 34 mit einem Steuerring 36 verbunden, der sich um das Gehäuse 16 herum erstreckt und mit (nicht dargestellten) Betätigungsmitteln verbunden ist, die es ermöglichen, ihn in der einen oder der anderen Richtung um die Längsachse des Gehäuses 16 zu drehen, um die Schaufeln 14 einer ringförmigen Schaufelreihe in Drehbewegung um ihre Achsen 24 zu versetzen.
Wie in 2 besser zu sehen ist, ist der zylindrische Schwanz 20 der Schaufel 14 in dem zylindrischen Schacht 32 zentriert und in der Drehbewegung geführt, und zwar mittels einer zylindrischen Hülse 38, die sich in dem zylindrischen Schacht 32 über den größten Teil der radialen Abmessung des Schwanzes 20 erstreckt und an ihrem radial äußeren Ende einen umgebogenen, kreisförmigen Außenrand 40 aufweist, der an einem entsprechenden Absatz 42 des Schachts anliegt.
Eine erste Führungsscheibe 44 ist um den Schwanz 20 herum zwischen der radial äußeren ringförmigen Oberfläche 46 der Platine 22 und einer entsprechenden ringförmigen Oberfläche 48 des Gehäuses 16 angebracht und weist an ihrem Innenrand einen radial äußeren, umgebogenen zylindrischen Rand 50 auf, der sich um den Schwanz 20 herum erstreckt, und zwar im Wesentlichen um dessen radial inneren Teil, der nicht von der Hülse 38 abgedeckt ist.
Eine zweite Führungsscheibe 52 ist zwischen einer ringförmigen Oberfläche 54 des Endes des Schwingarms und einem umgebogenen, kreisförmigen Außenrand 56 des Schachts angebracht.
Die Scheibe 44 befindet sich mit ihrem Rand 50 in Kontakt zu einem Ring 58, der auf das radial innere Ende des Schwanzes 20 aufgeschrumpft ist. Auf ihrer radial inneren Seite ist eine ringförmige Erhebung 60 gebildet, die an der radial äußeren ringförmigen Oberfläche 46 der Platine 22 anliegt.
Wenn die Turbomaschine in Betrieb ist und die Schaufeln 14 winkelverstellt werden, reiben diese ringförmigen Erhebungen 60 über die Platinen 22 und bilden kreisförmige Rillen 62 in diesen, wie in 3 schematisch dargestellt.
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Reparatur einer Schaufelplatine 22, die ein Materialdefizit auf Grund ihrer Abnutzung aufweist.
Das Verfahren besteht darin, dieses Materialdefizit durch Auftragen eines Produkts aus Metall durch Elektrolyse auszugleichen, sodann auf diesem Produkt aus Metall und auf dem diese Platine 22 umgebenden Bereich mindestens eine dünne Schicht eines harten Materials mit niedrigem Reibungskoeffizient auszubilden.
Das Auftragen des Produkts aus Metall durch Elektrolyse kann auf mehrere unterschiedliche Weisen ausgeführt werden, wie in den 4 bis 6 dargestellt.
In 4 wird das Auffüllprodukt aus Metall durch Puffer-Elektrolyse mittels einer Vorrichtung 100 aufgetragen, die eine elektrische Stromquelle 102, die durch Leiter 104 mit der die Kathode bildenden Schaufel 14 verbunden ist, und einen Puffer 106, der die Anode bildet und dazu bestimmt ist, in der auszugleichenden kreisförmigen Rille 62 verschoben zu werden, umfasst.
Der Puffer 106 ist beispielsweise eine Graphit-Elektrode, und seine Geometrie und seine Abmessung sind an die Form und die Abmessung der Abnutzung angepasst, wobei als elektrolytische Lösung beispielsweise Nickelsulfamat verwendet wird, um das Materialdefizit mit einem Material auf Nickelbasis auszugleichen.
Dieser Vorgang kann entweder von Hand ausgeführt werden, da die Vorrichtung einen Handgriff 108 aufweist, oder automatisch mittels eines Robotersystems.
In 5 wird das Auffüllprodukt aus Metall durch Elektrolyse im galvanischen Bad mittels einer Vorrichtung 200 aufgetragen, die eine Wanne 202 umfasst, die mit einer elektrolytischen Lösung 204 gefüllt ist, in der mindestens zu einem Teil eine Schaufel 14 eingetaucht wird, bei der nur der Teil der Platine 22, der ein Materialdefizit aufweist, sich in Kontakt mit der elektrolytischen Lösung 204 befindet, indem der Rest der Schaufel 14 durch geeignete Mittel 206 wie beispielsweise Klebebänder geschützt ist.
Die Schaufel 14 ist mit einer elektrischen Stromquelle 208 verbunden, um die Kathode zu bilden, und eine Elektrode 210 ist in die elektrolytische Lösung 204 eingetaucht und mit der elektrischen Stromquelle 208 verbunden, um die Anode zu bilden.
Es kann auch eine Graphit-Elektrode 210 und Nickelsulfamat als elektrolytische Lösung verwendet werden.
In 6 wird das Auffüllprodukt aus Metall durch Elektrolyse im Mikrobad mittels einer Vorrichtung 300 aufgetragen, die einen Behälter 302 umfasst, der dergestalt geformt ist, dass er mindestens eine Schaufel 14 und eine elektrolytische Lösung 304 aufnimmt, die sich mit dieser Schaufel nur in dem Bereich der Oberfläche 46 in Berührung befindet, der ein Materialdefizit aufweist. Eine elektrische Stromquelle 306 ist mit jeder Schaufel 14 verbunden, um die Kathoden zu bilden, und ist mit dem Behälter 302 verbunden, um die Anode zu bilden.
Vorzugsweise wird an dem auf der Platine 22 aufgetragenen Produkt aus Metall mit geeigneten Mitteln eine Schleifbearbeitung vorgenommen, bevor eine dünne Schicht aus hartem Material mit niedrigem Reibungskoeffizient aufgetragen wird, um die Befestigung der dünnen Schicht auf dem Produkt aus Metall zu verbessern.
Die dünne Schicht aus hartem Material kann auch durch Puffer-Elektrolyse aufgetragen werden, wobei die elektrolytische Lösung dergestalt gewählt wird, dass auf dem Produkt aus Metall und auf dem umgebenden Teil der Platine 22 eine Schicht aus einem Material mit einer größeren Härte als der des Produkts aus Metall und der der Führungsscheibe 44 gebildet wird. Solche Materialien bestehen beispielsweise auf Basis von Kobalt, Nickel-Kobalt, Nickel-Wolfram oder Kobalt-Wolfram.
Es können mehrere Schichten aus hartem Material auf das Produkt aus Metall aufgetragen werden, wobei die äußere Schicht, die dazu bestimmt ist, mit der Erhebung der Führungsscheibe 44 in Berührung zu kommen, so gewählt wird, dass die Reibung mit dieser Erhebung begrenzt wird, und beispielsweise auf Chrombasis hergestellt ist.
Als Variante wird die dünne Schicht aus hartem Material durch thermisches Spritzen, beispielsweise durch ein Plasma- oder HVOF-Verfahren (High Velocity Oxygen Fuel), oder auch durch PVD-Auftragen (Physical Vapor Deposition) aufgetragen und besteht auf Basis von Kobalt, Wolframkarbid, Chromkarbid o. a.
Die dünne Schicht aus hartem Material kann ferner einer Schleifbearbeitung unterzogen werden, um mögliche Oberflächenmängel zu beseitigen.
Die Stärke der auf das Produkt aus Metall aufgetragenen dünnen Schicht aus hartem Material beträgt typischerweise zwischen 40 und 50 μm.
Diese Erfindung betrifft ferner eine verstellbare Schaufel 14 einer Leitapparatstufe einer Turbomaschine, die auf ihrer Platine 22 eine dünne Schicht aus hartem Material mit niedrigem Reibungskoeffizient aufweist, die mit einer der oben genannten Techniken aufgetragen wurde.
In 7 wurde diese dünne Schicht 64 direkt auf die Platine 22 einer neuen Schaufel 14 aufgetragen, und in 8 wurde diese dünne Schicht 64 auf einem Auffüll-Produkt aus Metall 66 gebildet, welches mit einer der oben genannten Techniken in einer kreisförmigen Rille 62 der Platine einer abgenutzten Schaufel 14 aufgetragen wurde.
Durch den Schutz einer neuen Schaufel kann ihre Betriebslebensdauer ausreichend verlängert werden, um jedes Risiko eines Unfalls bis zur ersten, in regelmäßigen Abständen vorgesehenen Wartungsinspektion zu vermeiden.

Claims

Verfahren zur Reparatur einer Reibungsfläche (46) einer verstellbaren Schaufel (14) einer Turbomaschine wie beispielsweise eines Flugzeug-Turbotriebwerks, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, bei dieser Oberfläche, die eine Reibungsfläche für Führungsmittel der Schaufel in ihrer Drehbewegung ist und auf Grund ihrer Abnutzung ein Materialdefizit aufweist, dieses Materialdefizit mittels Auftragen eines Produkts aus Metall (66) durch Elektrolyse auszugleichen, sodann auf dem aufgetragenen Produkt aus Metall (66) und auf dem diese Oberfläche (46) umgebenden Bereich mindestens eine dünne Schicht (64) eines harten Materials mit niedrigem Reibungskoeffizient auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Metall (66) auf dieser Oberfläche (46) der Schaufel (14) durch Puffer-Elektrolyse aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Metall (66) auf dieser Oberfläche (46) der Schaufel (14) durch Elektrolyse im galvanischen Bad aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Metall (66) auf dieser Oberfläche (46) der Schaufel (14) durch Elektrolyse im Mikrobad aufgetragen wird, wobei die elektrolytische Lösung ausschließlich oder nahezu ausschließlich den Bereich der Oberfläche (46) bedeckt, die ein Materialdefizit aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgetragene Produkt aus Metall (66) Nickel umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrolytische Lösung Nickelsulfamat verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schleifbearbeitung an dem aufgetragenen Produkt aus Metall (66) vorgenommen wird, bevor auf diesem die dünne Schicht (64) aus hartem Material ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (64) aus hartem Material durch Puffer-Elektrolyse oder durch thermisches Spritzen, beispielsweise vom Plasmatyp oder HVOF-Typ, oder durch PVD-Auftragen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (64) aus hartem Material auf Basis von Nickel, Kobalt, Wolfram oder Chrom oder einer Kombination dieser Elemente wie beispielsweise Nickel-Kobalt, Nickel-Wolfram oder Kobalt-Wolfram besteht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (64) eine Stärke von 40 bis 50 μm aufweist.
Verstellbare Schaufel (14) einer Leitapparatstufe einer Turbomaschine insbesondere eines Flugzeug-Turbotriebwerks, wobei die Schaufel in der Drehbewegung um ihre Achse (24) in einem Schacht (32) eines Gehäuses (16) der Turbomaschine geführt wird und an ihrem radial äußeren Ende eine Oberfläche (46) aufweist, die in Anlage an einer ringförmigen Erhebung (60) einer Führungsscheibe (44) kommt, welche um einen zylindrischen Schwanz (20) der Schaufel (14) herum zwischen dieser Oberfläche (46) und dem Gehäuse (16) der Turbomaschine angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Oberfläche (46) der Schaufel (14), der sich mit der ringförmigen Erhebung (60) der Führungsscheibe (44) in Kontakt befindet, mit einer dünnen Schicht (64) aus hartem Material mit niedrigem Reibungskoeffizient überzogen wird.
Schaufel (14) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (64) aus hartem Material durch Puffer-Elektrolyse, durch thermisches Plasma-Spritzen oder HVOF-Spritzen oder durch PVD-Verfahren auf dieser Oberfläche (46) der neuen Schaufel ausgebildet wird.
Schaufel (14) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (64) aus hartem Material ein Auffüllprodukt aus Metall (66) überzieht, das auf dieser Oberfläche (46) der Schaufel (14) nach deren Abnutzung durch Reibung an der ringförmigen Erhebung (60) der Führungsscheibe (44) aufgetragen wurde.