DE60221074T2

DE60221074T2 - Verfahren zum Reparieren von Rissen in der Hinterkantenwurzel einer Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE60221074T2
Application number: DE60221074T
Authority: DE
Inventors: Raymond C. Middletown Surace; Brian Andover Merry; Gregory M. Higganum Dolansky; Gregory E. Glastonbury Reinhardt
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2022-05-25
Also published as: US20020194733A1; JP3696576B2; EP1270141B1; DE60221074D1; EP1270141A3; US6490791B1; EP1270141A2; JP2003056359A; KR20030001239A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reparieren von Rissen in einem Hinterkantenbereich einer Turbinenlaufschaufel.
Axiale Risse, die an der Wurzel-Hinterkanten-Kühlöffnung beginnen, treten an Laufschaufeln auf, die bei industriellen Anwendungen verwendet werden. Die Risse werden durch wärmemechanische Ermüdung verursacht. Typischerweise beginnen die Risse sowohl von der konkaven als auch von der konvexen Seite der Wurzel-Hinterkanten-Kühlöffnung aus und verlaufen axial in Richtung der Vorderkante der Laufschaufel. Da die Turbinenlaufschaufeln ansonsten brauchbar sind, wird ein Verfahren benötigt zum effektiven Reparieren dieser Risse.
US-A-5 281 062 offenbart eine Vorrichtung zum Reparieren von beschädigten Turbinenlaufschaufeln.
Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reparieren von Rissen in einem Hinterkantenbereich einer Turbinenlaufschaufel bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, ein Verfahren wie oben zum Reparieren bereitzustellen, das besondere Nützlichkeit hat beim Reparieren von Rissen, die an einer Wurzel-Hinterkanten-Kühlöffnung beginnen.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, ein Verfahren wie oben bereitzustellen, welches die Gebrauchslebensdauer der reparierten Turbinenlaufschaufel erhöht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Reparieren einer Turbinenlaufschaufel, die einen Riss in einem Hinterkantenbereich der Turbinenlaufschaufel aufweist, wie in Anspruch 1 beansprucht. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weit gefasst das Zurückschneiden des Hinterkantenbereichs der konkaven und der konvexen Oberflächen, die an den Hinterkantenbereich angrenzen, auf eine Tiefe, die größer ist als die Länge des Risses. Gleichzeitig mit der Prozedur des Zurückschneidens wird der Bereich der Turbinenlaufschaufel zwischen der Plattform und dem zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich geformt, indem eine Radiusmischung verwendet wird, um die Anwesenheit einer etwaigen Spitze an der Hinterkante zu vermeiden. Ferner werden jene Kanten, die nach der Prozedur des Zurückschneidens übrig bleiben, zu einem glatten Radius bearbeitet, um Spannungskonzentration und aerodynamische Verluste zu minimieren. Der zurückgeschnittene Hinterkantenbereich wird auch in das ursprüngliche Hinterkantenprofil geglättet, vorzugsweise etwa bei der Erstreckungsmitte, um aerodynamische Stoßkraft zu minimieren.
Vorzugsweise wird eine Wärmebarrierenschicht auf die reparierte Turbinenlaufschaufel aufgebracht, um ihre Gebrauchslebensdauer zu erhöhen. Vor dem Aufbringen der Wärmebarrieren-Beschichtung wird die Spitzenlänge der Turbinenlaufschaufel modifiziert, um die verringerte Substrattemperatur der reparierten Turbinenlaufschaufel zu berücksichtigen.
Weitere Einzelheiten des Reparaturverfahrens der vorliegenden Erfindung, ebenso wie weitere dazu dienende Vorteile werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, dargestellt.
1 ist eine Perspektivansicht eines Wurzelbereichs einer zu reparierenden Turbinenlaufschaufel;
2 ist eine Seitenansicht eines Wurzel-Hinterkantenbereichs an der konkaven Strömungsprofilseite der Turbinenlaufschaufel;
3 ist eine Seitenansicht des Wurzel-Hinterkantenbereichs an der konvexen Strömungsprofilseite der Turbinenlaufschaufel:
4 ist eine Seitenansicht des Wurzel-Hinterkantenbereichs der Turbinenlaufschaufel, welche die Kurve der Radiusmischung zeigt, die dazu benutzt wird, den zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich in den Plattformbereich der Turbinenlaufschaufel übergehen zu lassen;
5 ist eine Seitenansicht einer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung reparierten Turbinenlaufschaufel;
6 ist eine Perspektivansicht der Turbinenlaufschaufel von 5; und
7 ist eine Rückansicht der Turbinenlaufschaufel von 5.
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen zeigt 1 einen Bereich einer Turbinenlaufschaufel 10, die eine Reparatur benötigt. Wie man aus der Figur ersehen kann, ist die Hinterkante 12 der Turbinenlaufschaufel 10 mit einer Mehrzahl von Kühlöffnungen 14 versehen. In Betrieb bilden sich einer oder mehrere Risse 16 in der Nachbarschaft der untersten 14' der Kühlöffnungen 14, die als die Wurzel-Hinterkanten-Kühlöffnung bekannt ist. Typischerweise beginnen die Risse von sowohl der konkaven Seite 18 als auch der konvexen Seite 20 des Strömungsprofilbereichs 22 der Turbinenlaufschaufel 10. Jeder Riss 16 geht axial in Richtung der Vorderkante 24 der Laufschaufel 10. Man hat festgestellt, dass man die Risse 16, die innerhalb akzeptabler Verwendbarkeitsgrenzen fallen, vorzugsweise die, die sich weniger als ungefähr ca. 0,05 inches (1,3 mm) erstrecken und wie für eine vorgegebene Schaufel festgelegt, unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung reparieren kann.
Um die Risse 16 zu reparieren, wird ein als der Wurzel-Hinterkantenbereich bekannter Bereich 26 der Hinterkante sowohl auf der konkaven Seite 18 als auch der konvexen Seite 20 zurückgeschnitten. Dieses Zurückschneiden ist in den 2 und 3 gezeigt. Wie man in jeder dieser Figuren sehen kann, wird die ursprüngliche Hinterkante 12 um eine Strecke oder Tiefe L zurückgeschnitten, um einen zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich 28 zu bilden. Die Strecke oder Tiefe L ist größer als die Länge des Risses 16. Dieses Zurückschneiden entfernt Material in dem Bereich, wo sich der Riss befindet und erreicht unverbrauchtes Material, in dem es keine Risse oder Mikrorisse gibt. Die Strecke oder Tiefe L ist kleiner als der Radius der Hinterkante 12.
Das Zurückschneiden des Wurzel-Hinterkantenbereichs 26 kann unter Verwendung irgendeines geeigneten im Stand der Technik bekannten Verfahrens ausge führt werden. Vorzugsweise wird es durch Schleifen oder Fräsen sowohl der konkaven Seite 18 als auch der konvexen Seite 20 ausgeführt.
Gleichzeitig mit dem Zurückschneiden jeder der Seiten 18 und 20 ist es notwendig, den zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich 28 in die Plattform 30 auf der Turbinenlaufschaufel übergehen zu lassen. Das Übergehenlassen muss so ausgeführt werden, dass es einen glatten Übergang zwischen dem zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich 28 und der Plattform 30 gibt. Ein einzigartiges Merkmal des offenbarten Verfahrens ist die Anwendung eines Lösungswegs der Radiusmischung, um diesen glatten Übergang zu erreichen. Die Radiusmischung liefert einen großen Radius am Ort großer Belastung und geht dabei schnell in das bestehende Plattformprofil über. Der schnelle Übergang vermeidet einen großen plumpen oder unförmigen Bereich der Hinterkante 12, der aerodynamische Verluste erhöhen würde. Wie man in 4 sehen kann, wird eine Radiusmischung, die einen größeren Radius R₁ und einen kleineren Radius R₂ aufweist, wobei die Radiusmischung vorzugsweise von ungefähr ca. 0,375 inches (9,53 mm) bis ungefähr ca. 0,1875 inches (4,76 mm) variiert, in dem Übergangsbereich zwischen der zurückgeschnittenen Hinterkante 28 und der Plattform 30 verwendet. Durch die Verwendung dieses Lösungswegs des Übergehenlassens durch Radiusmischung wird das Bilden einer Zuspitzung an der Hinterkante vermieden.
Wenn die konkave und die konvexe Seite zurückgeschnitten werden, werden sie nicht entlang der gesamten Erstreckung des Strömungsprofilbereichs 22 der Turbinenlaufschaufel 10 zurückgeschnitten. Die obere Hälfte 32 der ursprünglichen Hinterkante 12 wird unverändert gelassen. Es ist dann notwendig, den zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich 28 an das ursprüngliche Hinterkantenprofil angleichen, um aerodynamischen Stoß zu minimieren. Jedes geeignete in der Technik bekannte Verfahren, das abrupte Veränderungen/Diskontinuitäten in der Hinterkantengeometrie der Turbinenlaufschaufel 10 minimiert und das ungünstige Wirkungen auf das Strömungsfeld, Vibrationen und strukturelle Unversehrtheit vermeidet, kann angewendet werden, um den zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich 28 an das ursprüngliche Hinterkantenprofil anzugleichen. Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, wird der zurückgeschnittene Hinterkantenbereich 28 vorzugsweise bei ungefähr ca. 50% Erstreckungslänge an das ursprüngliche Hinterkantenprofil stromlinienförmig angeglichen.
Nachdem die Schritte des Zurückschneidens, des Übergehenlassens zur Plattform und des Angleichens der Hinterkante zu einer erwünschten Tiefe ausgeführt sind, werden verbleibende Kanten entweder maschinell oder von Hand zu einem glatten Radius egalisiert, um Spannungskonzentration und aerodynamische Verluste zu minimieren. Die Kanten 34, 36, 38, 40, 42 und/oder 44, die typischerweise das Egalisieren erfordern, sind in 7 gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Reparaturverfahrens der vorliegenden Erfindung werden die Kanten 34, 36, 38, 40, 42 und/oder 44 zu einem glatten Radius von ungefähr ca. 0,005 inches (0,13 mm) bis ungefähr ca. 0,015 inches (0,38 cm) egalisiert.
Falls erforderlich, können die Kühlöffnungen 14 durch irgendein geeignetes in der Technik bekanntes Verfahren aufbearbeitet werden.
Es wurde festgestellt, dass die Gebrauchslebensdauer einer wie oben reparierten Turbinenlaufschaufel 10 um ungefähr ca. das Doppelte oder mehr durch das Aufbringen einer Wärmebarrieren-Beschichtung auf die Turbinenlaufschaufel 10 verlängert werden kann. Die Wärmebarrieren-Beschichtung kann jede geeignete in der Technik bekannte Wärmebarrieren-Beschichtung umfassen und kann auf jedem in der Technik bekannten Weg aufgebracht werden. Zum Beispiel kann die Wärmebarrieren-Beschichtung eine MCrAlY-Beschichtung sein, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Cobalt und Mischungen aus Nickel und Cobalt, so wie die im US-Patent Nr. 4 321 311 gezeigte. Alternativ kann die Wärmebarrieren-Beschichtung eine Beschichtung vom MCrAlY-Typ sein, wobei M Nickel oder Cobalt ist und welche verbessert ist durch die Zugabe von von 0,1 bis 7,0 Gew.-% Silizium und 0,1 bis 2,0 Gew.-% Hafnium, so wie die im US-Patent Nr. 4 585 481 gezeigte. Die Wärmebarrieren-Beschichtung könnte auch eine wärmeisolierende Keramikbeschichtung sein, aufweisend eine Pyrochlorstruktur, so wie die im US-Patent Nr. 6 117 560 gezeigte. Die Wärmebarrieren-Beschichtung könnte auch eine wärmeisolierende Keramikbeschichtung sein, die Gadoliniumoxid und Zirconiumoxid enthält, so wie die im US-Patent Nr. 6 177 200 gezeigte. Die Wärmebarrieren-Beschichtung kann auf die Turbinenlaufschaufel unter Verwendung irgendeines in den oben erwähnten US-Patenten gezeigten Verfahrens aufgebracht werden.
Es hat sich als wünschenswert herausgestellt, den Spitzenbereich 46 der Turbinenlaufschaufel 10 zu modifizieren, um seine Länge vor dem Aufbringen der war meisolierenden Keramikschicht auf die Turbinenlaufschaufel 10 zu vergrößern. Das geschieht, um die verringerten Substrattemperaturen zu berücksichtigen, die die Turbinenlaufschaufeln 10 als Ergebnis der wärmeisolierenden Keramikbeschichtung erfährt. Der Spitzenbereich 46 wird vorzugsweise modifiziert durch das Aufbringen eines Schweißmaterials auf den Spitzenbereich 46 und Bearbeiten der Turbinenlaufschaufel 10 auf eine vorbestimmte Länge. Während das auf den Spitzenbereich 46 aufzubringende Schweißmaterial jegliches geeignete und in der Technik bekannte Schweiß- oder Lötmaterial umfassen kann, ist es bevorzugt, dem Spitzenbereich 46 Schweißmaterial aus einer Legierung auf Nickelbasis zuzugeben. Das zugegebene Schweißmaterial hilft, durch das Aufbringen der wärmeisolierenden Keramikbeschichtung verursachte negative Effekte durch übermäßiges Spiel zu vermeiden. Mit der wärmeisolierenden Keramikbeschichtung hat die Turbinenlaufschaufel 10 nicht die ursprünglich vorgesehene Wärmeausdehnung. Die Turbinenlaufschaufel wird sich weniger ausdehnen, da sie kühler ist. Dies wiederum schafft einen größeren Spalt am Spitzenbereich 46 in der radialen Richtung, als es von einem Leckage/Dichtungs-Standpunkt und von einem Nutzleistungs-Standpunkt wünschenswert ist. Um die reduzierte Spitzenausdehnung zu berücksichtigen, wird der Spitzenbereich 46 mit Schweißmaterial aufgebaut und dann auf eine gewünschte vorbestimmte Länge bearbeitet.
Einer der Hauptvorteile des Hinzufügens der Wärmebarrieren-Beschichtung zu der reparierten Turbinenlaufschaufel 10 ist, dass sie Temperaturgradienten des Laufschaufelmetalls reduziert. Der reduzierte Wärmegradient in Kombination mit dickeren Hinterkantenwänden und stärkerem Ausrundungsradius verringern Strömungsprofilwurzel-Spannungen und verlängern die Laufschaufellebensdauer. Insbesondere wird die wärmemechanische Ermüdungslebensdauer der reparierten Laufschaufel um das Doppelte oder mehr erhöht.
Ferner ist es innerhalb des Umfangs dieser Erfindung und wird es von Fachleuten verstanden, dass das hierin beschriebene Verfahren zum Reparieren einer Vielzahl von Laufschaufeln verwendet werden kann und so auf vorteilhafte Weise eine reparierte Laufschaufel mit größerer Lebensdauer liefert, verglichen mit der der ursprünglichen Laufschaufel.
Es ist offensichtlich, dass vorangehend ein Verfahren zum Reparieren von Hinterkantenrissen in Turbinenlaufschaufeln offenbart wurde, das die hierin vorstehend dargelegten Zwecke, Wege und Vorteile vollständig erreicht. Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext von besonderen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, werden Fachleuten, die die vorangehende Beschreibung gelesen haben, weitere Alternativen, Modifikationen und Abweichungen ersichtlich. Deshalb ist es beabsichtigt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallenden Alternativen, Modifikationen und Abweichungen zu umfassen.

Claims

Verfahren zum Reparieren einer Trubinenlaufschaufel (10), welche einen Riss (16) in einem Hinterkantenbereich (26) der Laufschaufel aufweist, wobei der Riss (16) an einer Wurzel-Hinterkanten-Kühlöffnung (14) beginnt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Zurückschneiden einer ersten Oberfläche (18) der Turbinenlaufschaufel, benachbart dem Laufschaufel-Hinterkantenbereich, wo sich der Riss befindet; Zurückschneiden einer zweiten Oberfläche (20) der Turbinenlaufschaufel, benachbart dem Laufschaufel-Hinterkantenbereich, wo sich der Riss befindet; wobei jeder der Schritte des Zurückschneidens das Zurückschneiden der betreffenden Oberfläche um eine Tiefe (L) aufweist, die größer ist als die Länge des Risses und kleiner als der Hinterkantenradius, um den Riss zu entfernen und um einen zurückgeschnittenen Hinterkantenbereich (28) zu bilden; und wobei jeder der Schritte des Zurückschneidens das Zurückschneiden der betreffenden Oberfläche (18, 20) von einem ersten, einem Wurzelbereich des Hinterkantenbereichs (26) benachbarten Punkt zu einem zweiten Punkt etwa bei der Erstreckungsmitte der Turbinenlaufschaufel (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend das Übergehenlassen des zurückgeschnittenen Hinterkantenbereichs (28) in einen Bereich des ursprünglichen Hinterkantenbereichs (32).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, aufweisend das Übergehenlassen des zurückgeschnittenen Hinterkantenbereichs (28) in einen Plattformbereich (30) der Turbinenlaufschaufel.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Übergehenlassens des Hinterkantenbereichs (28) in den Plattformbereich (30) die Verwendung einer Radiusmischung zum Verhindern einer Spitze an der Hinterkante (12) der Turbinenlaufschaufel (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, ferner aufweisend das Übergehenlassen restlicher Kanten (34, 36, 38, 40, 42, 44) mit einem glatten Radius, um Spannungskonzentrationen zu minimieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend das Aufbringen einer Wärmebarrieren-Beschichtung auf die Turbinenlaufschaufel (10) nach den Schritten des Zurückschneidens.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner aufweisend das Modifizieren der Länge der Spitze der Turbinenlaufschaufel (10) vor dem Schritt des Aufbringens der Wärmebarrieren-Beschichtung, um verringerte Substrattemperaturen zu berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Modifizierens das Aufbringen von Schweißmaterial auf einen Spitzenbereich (46) der Turbinenlaufschaufel (10) vor dem Schritt des Aufbringens der Wärmebarrieren-Beschichtung und das Bearbeiten der Turbinenlaufschaufel auf eine vorbestimmte Länge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Aufbringens von Schweißmaterial das Aufbringen eines Schweißmaterials aus einer Legierung auf Nickelbasis auf den Spitzenbereich (46) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Wärmebarrieren-Beschichtungsschritt das Aufbringen einer wärmeisolierenden Keramikbeschichtung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Schritt des Aufbringens der Wärmebarrieren-Beschichtung das Aufbringen einer MCrAlY-Beschichtung aufweist, bei der M aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt und Mischungen aus Nickel und Kobalt bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6 bis 9, wobei der Schritt des Aufbringens der Wärmebarrieren-Beschichtung das Aufbringen einer MCrAlY-Beschichtung aufweist, bei der M Nickel oder Kobalt ist und die Silizium und Hafnium enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die wärmeisolierende Keramikbeschichtung eine kubische Pyrochlorstruktur hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Schritt des Aufbringens der Wärmesperrschicht-Beschichtung das Aufbringen einer aus Gadoliniumoxid und Zirconiumoxid zusammengesetzten Keramik-Wärmebarrieren-Beschichtung aufweist.