EP0451512B1

EP0451512B1 - Verfahren zum Beschichten von Schaufeln

Info

Publication number: EP0451512B1
Application number: EP91103660A
Authority: EP
Inventors: Tibor Koromzay; Sejko Kolev
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1990-04-11
Filing date: 1991-03-11
Publication date: 1993-08-04
Anticipated expiration: 2011-03-11
Also published as: PL289795A1; EP0451512A1; ES2044634T3; JP3027214B2; DK0451512T3; PL165873B1; UA27027A1; DE59100238D1; CA2039944C; JPH04225865A; CA2039944A1; RU2062303C1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Schaufeln gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Beispielsweise im offenen Gasturbinenprozess enthält die vom Verdichter angesaugte Luft auch Wasserdampf sowie feste und gasförmige Verunreinigungen. Diese wirken sich durch Erosion, Verschmutzung und Korrosion negativ aus. Die auf den Schaufeln befindlichen Beläge weisen teilweise erhebliche Konzentration von korrosiv wirkenden Bestandteilen wie NaCl und KCl auf. Die Salze fuhren neben einer Hochtemperaturkorrosion an den Turbinenbeschaufelung auch zu einer verstärkten Lochfrasskorrosion im Verdichterbereich und zu einer komplexen chemischen Festigkeitsminderung des Schaufelwerkstoffes. Bei hoher Luftfeuchtigkeit tritt im Verdichtereintrittsbereich Wasserdampfkonzentration auf, die den verstärkten Korrosionsangriff der vorderen Schaufelreihen erklärt. Um hiergegen einigermassen Remedur zu schaffen, werden Schaufeln rotierender thermischer Maschinen vielfach mit Schutzschichten versehen. Davon wird sowohl bei Dampf- und Gasturbinenschaufeln als auch bei Kompressorschaufeln Gebrauch gemacht. Es geht also vor allem darum, den Widerstand gegen Korrosion und oxydierende Angriffe sowie gegen Erosion und Abnutzung (Verschleiss) zu erhöhen. Weisen die Schaufeln einmal, trotz Oberflächenbehandlung, eine Beschädigung auf, deren Grad die Betriebssicherheit gefährden könnte, so schreitet man zum
Ausbau der Schaufeln: Entweder werden sie durch neue ersetzt oder rekonditioniert und wieder eingebaut. Dieses Aus- und Einbauen ist mit relativ hohen Kosten und Zeitaufwand verbunden. Des weiteren, der wirkliche Zustand der Beschaufelung ist erst nach relativ langer Zeit, d.h. nach einer Vorreinigung ersichtlich, von daher kann die Entscheidung, ob eine Rekonditionierung der Schaufeln machbar ist oder nicht, oder schon nötig, erst viel später getroffen werden. Die Nachteile dieser Methode sind die grossen Zeitverluste, die höheren Betriebskosten der Anlage, höhere Kosten bei Revisionen und die Unsicherheit über die Frage der Rekonditionierbarkeit der Schaufeln. Von daher ist man dazu übergangen, Wege und Mittel zu suchen, um hiergegen Abhilfe zu schaffen. Es ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren bekanntgeworden, wonach der ganze beschaufelte Rotor aus dem Stator gehoben wird, um in einer separaten Anlage rekonditioniert zu werden. Die zu beschichtenden beschaufelten Rotoren müssen in geeigneter Weise entfettet werden, gegebenenfalls früher aufgetragene organische Beschichtungen müssen vollständig entfernt werden. Anschliessend werden die zu beschichtenden Bereiche durch trockenes Sandstrahlen mit Aluminiumoxyd aufgerauht und die metallische Oberfläche aktiviert. Die nicht zu beschichtenden Zonen müssen mit geeigneten Materialien maskiert werden. Danach werden die Grundschichten aufgetragen, wobei sie jeweils eingebrannt werden müssen. Dies führt zu einem langwierigen Prozedere: Ein Sinterprozess oder Einbrennprozess dauert ca. 55 Stunden und muss im Schnitt viermal durchgeführt werden. Dieser Sinter- oder Einbrennprozess während des Beschichten besteht aus einer Wärmebehandlung bei ca. 350 Grad Celsius über eine Haltezeit von ca. 10-12 Stunden. Danebst müssen zur Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte recht grosse Anlagen mit spezifischer geometrischer Ausgestaltung vorgesehen werden, man denke nur, dass beim Sinterprozess der ganze beschaufelte Teil des Rotors von einer Ofenabdeckung umschlossen sein muss.

Aufgabe der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einem Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich benötigter Zeiten und aufgewendeter Kosten eine rationellere Methode für die Rekonditionierung der Schaufeln vorzuschlagen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, die Lebensdauer der Beschichtung durch geeignete Verfahren und Schutzschichten zu maximieren. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass der beschaufelte Rotor für den ersten Prozess der Rekonditionierung nicht aus seiner Lagerung im Stator ausgehoben werden muss: Die Reinigung bzw. Schutzschichtentfernung kann vor dem eigentlichen Abstellen der Maschine, d.h. des Verdichters, also während einer Schlussphase des Betriebes ("on line"), durchgeführt werden. Damit wird eine gleichmässige Beaufschlagung der zu behandelnden Schaufeln erzielt, wobei die mithin erreichte Effizienz dieses Reinigungsprozesses, welche eine umfassende Abtragung einer allenfalls vorhandenen Schutzschicht sicherstellt, eine sofortige Entscheidung über die Rekonditionierbarkeit der Schaufeln ermöglicht. Diese Entscheidung kann nach Abstellen der Maschine und Entfernung des Oberteils des Stators bereits getroffen werden. Entscheidet man sich nach entsprechender Analyse über den Zustand der Schaufeln für eine Rekonditionierung derselben, so genügt es, den beschaufelten Rotor aus der Lagerung zu heben und ihn auf Böcke zu stellen, wo ohne Zuhilfenahme einer sofistizierten Struktur die weiteren Prozessschritte der Rekonditionierung durchgeführt werden können. Dies führt zu niedrigen Betriebskosten (Ueberholungskosten), was einer periodischen Durchführung dieser Behandlungsart nichts im Wege steht. Mithin wird die Betriebssicherheit der Anlage erhöht.
Ein weiterer gewichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens die im eingebauten Zustand vorbehandelten Schaufeln eine entsprechende Schutzschicht, vorzugsweise auf Si- und Al-Basis, örtlich und bedarfsmässig erhalten, wobei dieses Beschichtungsverfahren ohne Wärmebehandlung über längere Zeiten und ohne Zuhilfenahme spezieller Zusatzanlagen durchgeführt werden kann. Dies vereinfacht das ganze technische Beschichtungs-Prozedere, während die Kosten ca. um die Hälfte niedriger als bei den bekannten Verfahren ausfallen. Ausserdem ist die Lebensdauer dieser Beschichtungsart viel höher als bei den für diese sogenannten Komplettbeschichtung zur Zeit verwendeten Schichten. Da die Vorbehandlung der Schaufeln resp. die Nachbehandlung nach dem Aufspritzen der Schutzschicht für die Lebensdauer der Beschichtung von grosser Bedeutung ist, können unmittelbare Korrektive, je nach festgestelltem Bedarf, gezielt vorgenommen werden. Was nach kürzester Zeit mit niedriger Rekonditionierungskosten mittels eines Prozesses von hoher Umweltverträglichkeit entsteht, ist eine Beschaufelung von höchster Güte, welche die Betriebssicherheit der Anlage über eine längere Zeitspanne garantiert.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:

Fig. 1: eine Turbogruppe mit Aggregate für eine Vorbehandlungsstufe;
Fig. 2: eine Ansicht von Fig. 1 in der Ebene II-II;
Fig. 3: eine Reinigungsstufe bzw. Schutzschichtentfernung in einem schwingenden, erosivem Bad;
Fig. 4: eine Ansicht des Rotors gemäss Fig. 3 entlang der Ebene IV-IV;
Fig. 5: ein Schlussreinigungsverfahren mit Strahldüsen und
Fig. 6: eine Beschichtung der Schaufeln mit einem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine konventionelle Gasturbogruppe 11, bestehend im wesentlichen aus einem Kompressorteil 11a, einer Brennkammer 11b und einem Turbinenteil 11c. Bei der Vorbehandlung der Schaufeln muss unterschieden werden, ob diese im Originalzustand unbeschichtet oder beschichtet waren. Unabhängig dieser Vorgabe findet eine erste Reinigung der Schaufeln vor dem Abstellen der Maschine, d.h. des Verdichters statt. Diese Reinigung basiert bei beschichteten Schaufeln vorzugsweise auf Erosionsabtragung durch ein Weichstrahl-Granulat. Selbstverständlich kann die Reinigung von unbeschichteten Schaufeln lediglich mittels eines wässrigen Lösungsmittels, beispielsweise Trichlorethylen, vorgenommen werden. Durch eine zentralplazierte Dreistrahldüse 1 (Siehe hierzu auch Fig. 2), welche im Ansaugkanal des Verdichters
wirkt, wird über eine bestimmte Zeit das Reinigungsmittel (Weichstrahl-Granulat, wässrige Lösung etc. ) in den Luftstrom zum Verdichter eingedüst. Die gleichmässige und intensive Beaufschlagung 12 der Verdichterschaufeln ergibt einen effizienten Reinigungsprozess bei unbeschichteten Schaufeln bzw. eine umfassende Abtragung der alten Schutzschicht bei beschichteten Schaufeln. Das Reinigungsverfahren wird nach Bedarf mehrmals wiederholt. Da das Weichstrahl-Granulat bei Temperaturen von ca. 300 Grad Celsius verbrennt, entsteht diesbezüglich keine Problematik hinsichtlich Entsorgung. Bei Verwendung einer wässrigen Lösung muss ebenfalls auf diese Gesichtspunkte Rücksicht genommen werden. Die Schaltung betreffend die Mehrstrahldüse 1 besteht aus einem Kugelhahn 2, der in Strömungsrichtung des Reinigungsmittels einer Mischkammer 3 nachgeschaltet ist und der Mengenregelung dient. Der Druck in dieser Mischkammer 3 wird durch einen Manometer 7 wiedergegeben. Stromauf der Mischkammer 3 ist ein Behälter 4 vorgesehen, in welchem beispielsweise ein Granulat vorrätig ist, wobei je ein Sieb 5 und ein Einlassventil 6 dafür sorgen, dass die Mischkammer 3 mit einem homogenen Gut versorgt wird. Der benötigte Druck im Behälter 4 wird über eine Luftzuleitung 10 bereitgestellt, wobei ein Druckreduzierventil 8 und ein Hauptventil 9 in der Luftleitung weitere Hilfsmittel der Schaltung sind. Durch entsprechende Vorkehrungen kann die Turbinenbeschaufelung ebenso behandelt werden.
Falls erforderlich werden die Schaufeln einer weiteren Reinigung bzw. Schutzschichtentfernung unterzogen. Dies geschieht, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, mittels eines schwingenden, erosiven Bades 14. Zu diesem Zweck wird der beschaufelte Rotor 11a und 11c aus dem Stator genommen und auf Böcke 13a und 13b gestellt, dergestalt, dass ein bestimmter Teil der Beschaufelung in das Bad 14 eintaucht. Durch einen Schwingungserzeuger 15 werden die einzelnen erosiven
Komponenten des Bades 14 zum Schwingen angeregt, worauf zu einem Abtragen des Restschmutzes bzw. der Restschutzschicht auf den Schaufeln führt. Grundsätzlich können sämtliche Schaufelarten eines Rotors einer Gasturbogruppe damit behandelt werden.
Eine Schlussreinigung wird gemäss Fig. 5 mit einem Industrieglas-Strahlmittel 18 durchgeführt. Diese Schlussreinigung basiert auf Erosionsabtragung durch genanntes Mittel, das aus Glas bestehen kann. Ein bestimmtes Teil der Beschaufelung wird mit einer speziellen Kapsel 16 abgedeckt; bei gleichzeitiger Absaugung 19 des eingedüsten Mittels wird die Reinigung anhand eines oder meherer Strahldüsen 17 bewerkstelligt.
Weitere Verfahrensschritte können nach Bedarf vorgesehen werden:

Abschleifen von allenfalls noch vorhandenen Lochfrassgrübchen an den meistbeanspruchten Stellen.
Eine Rissprüfung der Schaufeln.
Eine Masskontrolle der Schaufeln, falls diese einem Schleifprozess unterzogen wurden.
Aufrauhen der Oberfläche durch Sandstrahlen.
Vor der eigentlichen Beschichtung empfiehlt es sich, die Schaufeln auf ca. 80 Grad Celsius vorzuerwärmen, beispielsweise mittels Strahler.

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit, wie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren vonstatten gehen kann. Zu diesem Zweck wird eine von der Seite zugängliche Umhüllung 16 vorgesehen, welche eine Anzahl vorbereiteten Schaufeln umgrent. Mittels einer Spritzdüse 20 wird die Schutzschicht auf die Schaufeln aufgetragen, wobei es ohne weiteres möglich ist, die Führung der Strahldüse 20 manuell vorzunehmen. Eine Absaugung 19 sorgt dafür, dass überschüssiges Mittel sofort aus der Umgebung der Schaufeln entfernt werden kann.
Eine Nachbehandlung der gespritzten Schaufeln umfasst in der Regel folgende Verfahrensschritte:

Zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit wird ein leichtes Ueberschleifen mit Schmirgeltuch und/oder Strahlen, beispielsweise mit Glasperlen.
Zum Schutz der Grundschicht und zur weiteren Herabsetzung der Oberflächenrauhigkeit kann eine Lack-Deckschicht mit einer Farbspritzpistole aufgetragen werden. Bedingung ist, dass dieser Lack keine hohe und lange Einbrenntemperatur benötigt (kein Ofenbau). Dazu kann mindestens für die ersten Reihen des Kompressors, wo im Betrieb noch tiefere Temperaturen vorherrschen, ein Zweikomponenten-Lack verwendet werden.
Ein Beispiel für eine solche Deckschicht kann ein Polyurethan-Reaktionslack auf Kunststoff-Basis sein.

Bezüglich der Qualität der Schutzschicht ist zu sagen, dass konventionelle Verdichterbeschichtungen sehr oft einen geringen Erosionswiderstand zeigen. Da solche galvanische Schutzschichten nur wirken, wenn sie im System Metall-Schicht-Elektrolyt vorhanden sind, wird eine lokal erodierte Schicht in ihrer Schutzwirkung vermindert.
Die hier zum Einsatz kommende Schutzschicht auf Basis von Aluminium ist eine aktive Korrosionsschutzschicht, deren Zusammensetzung vorzugsweise wie folgt aussieht:

1. Eine Schutzschicht besteht aus 6 bis 15 Gew.-% Si, Rest Aluminium;
2. Eine andere Schutzschicht besteht aus Rein-Aluminium
3. Eine andere Schutzschicht besteht aus 80 Gew.-% Al, 5 bis 15 Gew.-% Si, Rest Cu, Mn, Mg, Ni.

Der chemische Aufbau der obengenannten Schutzschichten sowie das ebenfalls obenbeschriebene Aufbringverfahren (Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren) stellen eine wenig erosionsempfindliche "Opferanoden"-Schicht, welche den Grundwerkstoff aktiv vor Korrosion schützt. Das Aufbring-Verfahren, welches ein Hochenergie-Beschichtungsverfahren ist, liefert guthaftende und erosionsbeständige Schutzschichten, welche ohne weitere schutzschichtspezifische Nachbehandlung die angestrebte elektrische Verbindung zum Grundmaterial haben. Die vorgeschlagenen Schutzschichten können zusätzlich mit einer Deckschicht versehen werden. Diese schutzabweisende Deckschicht kann beispielsweise schwarz sein. So eine schmutzabweisende Deckschicht ermöglicht bessere Erkennbarkeit einer Vereisung auf den Schaufeln mittels Eisdetektoren. Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren, das mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 m/s abläuft, stellt eine optimale Verklammerung der Beschichtung mit dem Grundmaterial der Schaufeln dar. Selbst bei dickerer Schutzschicht ist gewährleistet, dass die Beschichtung nicht abblättert. Dies ist damit zu erklären, dass beim Aufprall der Pulverteilchen durch die hohe kinetische Energie Druckeigenspannungen in der jeweils zuvor gespritzten Schicht entstehen. Die maximierte Beständigkeit gegen Erosion hat ihre Ursache darin, dass die hier zur Anwendungen gelangenden Schichten eine sehr hohe Härte haben. Durch das hier vorgeschlagene Verfahren ergibt sich, dass der Oxidgehalt der Schicht tiefer als bei in Luft gespritzten Schutzschichten. Das bedeutet, dass die Schicht reiner ist, weshalb sie weniger schnell oxidiert, wobei eine Oxidation allenfalls nur an der Oberfläche auftritt. Dadurch, dass die Schutzschichten sehr dicht sind, liegt ihre Porosität unter 0,5%. Eine Zerstörung durch Korrosion ist praktisch auszuschliessen: Im Salzsprühtest nach DIN 50021 wurde eine handelsübliche keramische Aluminiumschicht mit einer Schutzschicht nach obiger Zusammensetzung und mit obigen Verfahren verglichen. Die Resultate haben obiger Aussage voll bestätigt. In einem Ermüdungsverfahren wurde ein analoger Ver gleich durchgeführt:. Es zeigte sich, dass die Belastung bis zum ersten Ermüdungsriss in der Schaufel bei nach obiger Zu sammensetzung und obigem Verfahren beschichten Schaufeln um 20% höher lag, als bei den Vergleichsschaufeln. Dies bedeutet, dass die Sicherheit der Beschaufelung gegen Ermüdungsbruch erhöht werden konnte.
Anhand der aufgeführten Vorteile sowie der Ergebnisse nach mehreren Tausend Betriebsstunden in einem Verdichter einer meeresnahen Anlage resultierte eine Verbesserung der Standzeit der aktiven Schutzschicht um die 50%.

Claims

Verfahren zum Beschichten von Schaufeln einer rotierenden thermischen Maschine mit Verdichter, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln im Betriebszustand der thermischen Maschine einem ersten Reinigungsprozess mittels eines dem Luftstrom zum Verdichter beigemischten Mittels unterzogen werden, dass die Schaufeln nach Öffnung der Maschine im stationären Zustand mindestens einem Vorbereitungsprozess für die nachfolgende Beschichtungsstufe unterzogen werden, und dass die Schaufeln im stationären Zustand mit einer Schutzschicht mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens, das die Schutzschicht-Partikeln mit mindestens einer Geschwindigkeit von 300 m/s auf die Oberfläche des Grundmaterials aufspritzt, beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln im Vorbereitungsprozess vor der Schutzschichtaufbringung in einem schwingenden erosiven Bad behandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln im stationären Zustand nach der Schutzschichtaufbringung einer Nachbehandlung zur Verrringerung der Oberflächenrauhigkeit und/oder zur Auftragung einer Deckschicht unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens aufgetragene Schutzschicht aus 6-15 Gew.-% Si, Rest Al besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens aufgetragene Schutzschicht aus Al besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens aufgetragene Schutzschicht aus 80 Gew.-% Al, 5-15 Gew. -% Si, Rest Cu, Mn, Mg, Ni besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Luftstrom beigemischten Mittel zur Reinigung der Schaufeln aus einem Weichstrahl-Granulat besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus einem Polyurethan-Reaktionslack auf Kunststoff-Basis besteht.