EP1468170B1

EP1468170B1 - Verfahren zur frequenzveränderung von schaufeln für thermische strömungsmaschinen

Info

Publication number: EP1468170B1
Application number: EP03700009A
Authority: EP
Inventors: Bruno Benedetti; Andreas Kieninger; Christoph Nagler; Jörg Stengele
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: CH695461A5; DE50313322D1; WO2003062606A1; US20050042384A1; EP1468170A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzveränderung von Schaufeln (1) mit einem eine Saugseite (6), eine Druckseite (5), eine Eintrittskante (10), eine Austrittskante (7) und eine Schaufelspitze (9) aufweisenden Schaufelblatt (2) und mit einem Schaufelfuss (3), insbesondere Turbinenschaufeln, für thermische Strömungsmaschinen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass auf die bereits einsatzfertige Schaufel (1) ein metallischer Überzug (8) aus einem mit dem Grundwerkstoff identischen Material im Bereich der Schaufelspitze (9) aufgebracht wird, wobei sich die Dicke des Überzuges (8) an der Austrittskante (7) und in radialer Richtung zum Schaufelfuss (3) hin kontinuierlich verjüngt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Strömungsmaschinen. Sie betrifft ein Verfahren zur Frequenzveränderung von Schaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln, welche bereits für den Einbau in die Strömungsmaschine weitgehend einsatzfertig sind.

Stand der Technik

Die Leistung einer Gasturbine wird im wesentlichen bestimmt durch die verarbeiteten Massenströme wie Brennstoff und Luft.
Auf die Höhe des Wirkungsgrades einer Gasturbine hat neben den Dichtungen, Lagern usw. vor allem die Güte der Beschaufelung einen Einfluss. Die Schaufelabmessungen, z. B. die Sehnenlänge, die Schaufelhöhe, die Wölbung, das Profil, die Verwindung und der Schaufelabstand bestimmen dabei die für die Turbine geeignetesten Strömungsdaten einer Stufe, beispielweise An- und Abströmwinkel, Druckverhältnis, Gasgeschwindigkeit und -menge.
Die Auslegung/Konstruktion einer neuen Gasturbine beruht heute auf Erfahrungen, Berechnungen und Versuchen. Dabei gibt es immer wieder Parameter, die durch Annahmen nur unzureichend das Optimum darstellen.
Unterschiede zwischen der theoretischen Frequenzkalkulation während der Design-Phase und der gemessenen Frequenz erfordern eine Veränderung der Schaufelfrequenz an der fertigen Schaufel, um zu verhindern, dass während des Betriebes der Maschine auf Grund von Resonanzanregung Bauteile ausfallen.
Falls genügend Zeit zur Verfügung steht, kann eine Frequenzveränderung an den Schaufeln realisiert werden durch Anwendung von Druckgusswachsmodellen. Im oben beschriebene Fall ist diese Lösung unbrauchbar, weil die Bauteile bereits fertig für den Einsatz in der Turbine sind, so dass aus Kostengründen eine sehr schnelle Methode zur Frequenzveränderung an den Schaufeln notwendig ist.
Aus der Reparaturtechnik ist bekannt, mittels Flammspritzen bei Gleitlagern, Walzen, Zylindern usw. einen Materialauftrag zu realisieren. Nach dem Überschleifen sind diese Teile wieder gebrauchstüchtig und Neuteilen ebenbürtig. Hier geht es darum, das ursprüngliche Originalmass wieder herzustellen oder verschleissfestere Materialien aufzutragen.
Bekannt ist auch, einen Materialauftrag auf bestimmte Bauteile mittels Schweissen aufzubringen. Das setzt aber voraus, dass schweissbare Materialien vorhanden sein müssen. Vor dem Gebrauch der Bauteile müssen diese ebenfalls überschliffen werden.
Aus EP 1 026 366 A1 ist bekannt, zur Vibrationsdämpfung einen Materialüberzug im Bereich der Schaufelspitze/Abströmkante einer Turbinenschaufel aufzubringen, wobei z. B. Plasmaspritzen oder andere physikalische oder chemische Aufdampfmethoden angewendet werden. Die Dicke der Schicht, welche aus einer Haftschicht aus Metall oder aus einem Metall/Seltene Erden-Komplex und einer darauf applizierten Oxidkeramikschicht besteht, wird über der Fläche der Schaufel variiert, um einen optimalen Dämpfungseffekt zu erzielen. Wenn die äussere Keramikschicht Vibrationen ausgesetzt ist, erfolgt in der duktilen Haftschicht ein viskoses Scheren, so dass die Amplitude der Vibrationen herabgesetzt wird.

Darstellung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Frequenzveränderung von Schaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln, zu entwickeln, welches bei bereits einsatzfertigen Schaufeln schnell und einfach anwendbar ist. Wegen der hohen aerodynamischen Sensitivität der Schaufeln sollen die Veränderungen des Schaufelblattprofiles nur sehr klein sein.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass auf die bereits einsatzfertige Schaufel ein metallischer Überzug aus einem mit dem Grundwerkstoff identischen Material im Bereich der Schaufelspitze aufgebracht wird, wobei sich die Dicke des Überzuges an der Austrittskante und in radialer Richtung zum Schaufelfuss hin kontinuierlich verjüngt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es mit dem erfindungsgemässen Verfahren möglich ist, sehr schnell bei Turbinenschaufeln, welche Unterschiede zwischen der theoretischen Frequenzkalkulation während der Design-Phase und der tatsächlich gemessenen Frequenz aufweisen, die Frequenz zu verändern. Dadurch kann ein Ausfall der Bauteile während des Betriebes Maschine infolge von Resonanzanregung verhindert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der metallische Überzug mittels Flammspritz-Verfahren auf das Schaufelblatt appliziert wird. Das Flammspritz-Verfahren ist relativ universell einsetzbar. Es lassen sich Materialdicken in relativ breiten Bereichen realisierbar.
Ausserdem können weiche kontinuierliche Übergänge in der Auftragsdicke erzielt werden, wobei sich das Auftragsmaterial örtlich begrenzt an den richtigen Stellen platzieren lässt, ohne dass eine nennenswerte Nacharbeit, wie z. B. ein Überschleifen, notwendig ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht einer Gasturbinenschaufel und
Fig. 2: einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Laufschaufel 1 einer Gasturbine. Die Leitschaufel 1 besteht aus einem Schaufelblatt 2, einem Schaufelfuss 3 und einer dazwischen angeordneten Plattform 4, von der aus sich das Schaufelblatt 2 integral erstreckt. Der Schaufelfuss 3 dient der Befestigung der Turbinenschaufel 1 in einem nicht dargestellten Turbinenrotor. Das Schaufelblatt 2 weist eine Druckseite 5 und eine (in Fig. 1 nicht sichtbare) Saugseite 6, die an einer Austrittskante 7 aneinandergrenzen, sowie eine Schaufelspitze 9 auf. In Fig. 1 ist die Sicht auf die Druckseite 5 des Schaufelblattes 2 dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene II-II von Fig. 1. Aus Vereinfachungsgründen ist die Innenkontur der Schaufel 1, welche ein internes Kühlungssystem aufweist, in Fig. 2 nicht dargestellt.
Um Frequenzunterschiede zwischen der während der Design-Phase theoretisch kalkulierten Frequenz und der tatsächlich gemessenen Frequenz an der einsatzfertigen Schaufel 1 zu beseitigen und dadurch eine Resonanzanregung zu verhindern, wird erfindungsgemäss das an sich einsatzfertige Schaufelblatt 2 vor dem Einbau an der Schaufelspitze 9 mit einem metallischen Überzug 8 versehen. Der Überzug (8) besteht aus einem mit dem Grundwerkstoff identischen Material. Das Metall wird dabei vorzugsweise mittels an sich bekanntem Flammspritz-Verfahren auf dem Schaufelblatt 2 appliziert. Wichtig ist, dass sich die Dicke des metallischen Überzuges 8 an der Austrittskante 7 und in radialer Richtung zum Schaufelfuss 3 hin kontinuierlich verjüngt.
Im konkreten Fall wurde für eine Schaufel, welche aus dem Grundmaterial IN738LC bestand, folgendermassen vorgegangen:

Durch Versuche im Standfrequenzprüfstand wurde ein Vorgabewert ermittelt, indem mittels kleiner Massestücke, die an die Schaufelspitze geklebt wurden, der Faktor df/dm (Frequenzänderung in Abhängigkeit von der zusätzlichen Masse) bestimmt wurde. Selbstverständlich könnte dieser Faktor auch mit Hilfe einer Rechnung bestimmt werden.
Aufgrund des zulässigen Frequenzbandes und der gemessenen Istwerte ergab sich, dass im konkreten Fall die Eigenfrequenz um 7 Hz gesenkt werden muss.
Aus dem Wert df/dm und der Vorgabe, die Eigenfrequenz um 7 Hz zu senken, wurde die aufzubringende Masse an der Schaufelspitze mit 23 g errechnet. Dies entspricht einem Materialvolumen von 2.8 cm³ für IN738LC (Beschichtungsmaterial = Grundmaterial). Das Beschichtungsmaterial wurde auf die obersten 50 mm der Schaufel verteilt, so dass sich eine Schichtdicke von 0.3 mm ergab.
Zur Überprüfung wurden nun zuerst nur einige Schaufeln beschichtet und die Massenänderung und Frequenzänderung nachgemessen. Es ergaben sich folgende Werte: dm=28.6 g, df=5.0 Hz.
Aufgrund dieser Messergebnisse wurde dann eine zusätzliche Masse von 32 g gefordert und aufgebracht, so das die Eigenfrequenzänderung von 7 Hz realisiert wurde.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist kostengünstig und in sehr kurzer Zeit realisierbar. Das Flammspritz-Verfahren ist besonders gut geeignet, da damit "weiche" kontinuierliche Übergänge in der Auftragsdicke schafft und sich das aufzutragende Material 8 örtlich genau begrenzt an den richtigen Stellen platzieren lässt, ohne dass eine Nacharbeit notwendig wäre.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Bezugszeichenliste

1: Schaufel
2: Schaufelblatt
3: Schaufelfuss
4: Plattform
5: Druckseite von Pos. 2
6: Saugseite von Pos. 2
7: Austrittskante von Pos. 2
8: Metallischer Überzug
9: Schaufelspitze von Pos. 2
10: Eintrittskante von Pos. 2

Claims

Verfahren zur Frequenzveränderung von Schaufeln (1) mit einem eine Saugseite (6), eine Druckseite (5), eine Eintrittskante (10), eine Austrittskante (7) und eine Schaufelspitze (9) aufweisenden Schaufelblatt (2) und mit einem Schaufelfuss (3), insbesondere Turbinenschaufeln, für thermische Strömungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass auf die bereits einsatzfertige Schaufel (1) ein metallischer Überzug (8) aus einem mit dem Grundwerkstoff identischen Material im Bereich der Schaufelspitze (9) aufgebracht wird, wobei sich die Dicke des Überzuges (8) an der Austrittskante (7) und in radialer Richtung zum Schaufelfuss (3) hin kontinuierlich verjüngt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Überzug (8) mittels bekanntem Flammspritz-Verfahren aufgebracht wird.