EP1951990A1 - Verfahren zur reparatur eines mantelringsegments einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zur reparatur eines mantelringsegments einer gasturbine

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EP1951990A1
EP1951990A1 EP06805521A EP06805521A EP1951990A1 EP 1951990 A1 EP1951990 A1 EP 1951990A1 EP 06805521 A EP06805521 A EP 06805521A EP 06805521 A EP06805521 A EP 06805521A EP 1951990 A1 EP1951990 A1 EP 1951990A1
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EP
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shroud segment
replacement section
replacement
section
shroud
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EP06805521A
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Reinhold Meier
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MTU Aero Engines GmbH
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    • Y10T29/49238—Repairing, converting, servicing or salvaging

Definitions

  • the invention relates to a method for repairing a shroud segment of a gas turbine.
  • the blades in the compressor and the high-pressure turbine blades have no shroud.
  • tips of the rotating blades are exposed to direct frictional contact with the housing during so-called rubbing into the stationary housing.
  • Such a scratching of the blade tips is caused by setting a minimum radial gap by manufacturing tolerances. Since material is removed by the frictional contact of the blade tips through the blade tips, an undesirable increase in gap can be established over the entire circumference of the housing and the rotor.
  • inlet linings In order to minimize the wear on the blade tips when they are rubbed against the same in the stationary housing, it is already known from the prior art to assign so-called inlet linings to the housing into which the blade tips of the rotor blades can run.
  • Such inlet linings are usually associated with so-called shroud segments of the housing, namely radially inner sections of the shroud segments facing the blade tips.
  • Housing-side shroud segments which serve as carriers for inlet linings, are also referred to as shrouds.
  • shroud segments or shrouds are subject to wear, so that they must either be replaced or repaired during maintenance.
  • shroud segments of gas turbines are repaired or repaired by radially inner surfaces of the shroud segments, into which the rotor blades can run during operation of the gas turbine, are coated by low-pressure plasma spraying or by high-speed flame spraying.
  • low-pressure plasma spraying and high-speed flame spraying however, a repair or repair of the shroud segments is possible only to a relatively small extent, whereby the low achievable strength is a problem.
  • the present invention based on the problem to provide a novel method for repairing a shroud segment of a gas turbine.
  • the method according to the invention comprises at least the following steps: a) provision of a shroud segment to be repaired; b) removal of a damaged, radially inner portion of the shroud segment, such that the shroud segment after the removal of the damaged portion has a defined inner radius; c) producing a replacement section for the shroud segment, wherein the replacement section has a matched to the inner radius of the shroud segment outer radius; d) aligning replacement section and shroud segment; e) joining the replacement section to the shroud segment, wherein for this purpose first the replacement section and the shroud segment at edges in a vacuum gas-tight welded together, and then wherein the replacement section and the shroud segment by hot isostatic pressing surface diffusion with each other.
  • the invention provides a completely novel method for the repair or repair of shroud segments of a gas turbine.
  • the replacement section made and used to repair a shroud segment can be provided with high bond strength to the shroud segment via a diffusion bond, as well as high thermal resistance and ductility.
  • the replacement portion can be made of a single crystal material and has a lower thermal 'see expansion and heat conductivity than the base material of the shroud segment.
  • the replacement section and the shroud segment are activated at contact surfaces by blasting, in particular by abrasive oxide blasting.
  • the replacement portion and the shroud segment are fixed in alignment with each other by spot welding after aligning the replacement section and shroud segment and before joining the same.
  • the present invention relates to a method for repair or repair of housing-side shroud segments of a gas turbine, which preferably serve as support structures for inlet linings.
  • the procedure is such that after the provision of the shroud segment to be repaired, a damaged, radially inner section is removed therefrom in such a way that the shroud segment to be repaired has a defined inner radius or inner diameter after removal of the damaged section.
  • the damaged portion of the shroud segment can be removed from the shroud segment, for example by unscrewing.
  • cooling air holes or cracks are closed by welding before removing the damaged portion of the shroud segment.
  • a replacement section for the shroud segment is then produced, such that the replacement section has an outer radius or outer diameter matched to the inner radius or inner diameter of the shroud ring segment freed from the damaged section.
  • the replacement section is preferably made by casting such as investment casting or by powder injection molding (Metal Injecting Molding).
  • the shroud segment removed from the damaged section and the replacement section made are then aligned relative to one another.
  • activation of aligned contact surfaces of the replacement section and shroud segment preferably takes place.
  • the activation preferably takes place by abrasive radiation.
  • replacement section and shroud segment can be coated on the contact surfaces with nickel, with a layer thickness between 0.003 mm and 0.005 mm.
  • the replacement section After aligning the replacement section and the shroud segment, the replacement section is joined to the shroud segment, wherein preferably after alignment and before joining, the replacement section and the shroud segment are fixed in their alignment with each other by spot welding.
  • the replacement section and the shroud segment are gas-tightly welded together under vacuum, preferably by electron beam welding or laser beam welding. The gas-tight welding takes place at edges between the replacement section and the shroud segment. After the gas-tight welding then the replacement section and the shroud segment are connected by hot isostatic pressing surface.
  • a check or inspection of the joint connection between the replacement section and the shroud segment takes place, wherein this check is carried out in particular by X-ray, ultrasound inspection or thermography inspection.
  • a final contour machining of the repaired shroud segment can be performed, in which case an inlet lining or a thermal barrier coating can be applied to a radially inner surface of the repaired shroud segment and thus to a radially inner surface of the replacement section.
  • the spare section made for repairing a shroud segment may be made of a different material than the shroud segment.
  • the replacement portion may be made of a single crystalline material.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Mantelringsegments; b) Abtragen eines beschädigten, radial innenliegenden Abschnitts des Mantelringsegments, derart, dass das Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius aufweist; c) Herstellen eines Ersatzabschnitts für das Mantelringsegment, wobei der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius des Mantelringsegments angepassten Außenradius aufweist; d) Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment; e) Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei hierzu zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Rändern im Vakuum gasdicht miteinander verschweißt werden, und wobei anschließend der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander diffusionsverbunden werden.

Description

Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren und Reparaturverfahren eine entscheidende Rolle.
Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Flugtriebwerken die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters bzw. einer Hochdruckturbine. Bei Hochdruckverdichtern und Hochdruckturbinen treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturgradienten auf, was die Spalthaltung erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln und Hochdruckturbinenlaufschaufeln in der Regel auf Deckbänder, wie sie bei Niederdruckturbinen verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfügen die Laufschaufeln im Verdichter und die Hochdruckturbinenlaufschaufeln über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Schaufelspitzen wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Schaufelspitzen durch die Schaufelspitzen Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen.
Zur Minimierung des Verschleißes an den Schaufelspitzen beim Anstreifen derselben in das feststehende Gehäuse ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, dem Gehäuse sogenannte Einlaufbeläge zuzuordnen, in welche die Schaufelspitzen der Laufschaufeln einlaufen können. Derartige Einlaufbeläge sind üblicherweise sogenannten Mantelringsegmenten des Gehäuses zugeordnet, nämlich radial innenliegenden, den Schaufelspitzen zugewandten Abschnitten der Mantelringsegmente. Gehäuseseitige Mantelringsegmente, die als Träger für Einlaufbeläge dienen, werden auch als Shrouds bezeichnet. Im Betrieb der Gasturbine unterliegen derartige Mantelringsegmente bzw. Shrouds einen Verschleiß, so dass dieselben bei Wartungsarbeitung entweder ausgetauscht oder repariert werden müssen. Nach der Praxis werden Mantelringsegmente von Gasturbinen dadurch repariert bzw. instandgesetzt, dass radial innenliegende Flächen der Mantelringsegmente, in welche im Betrieb der Gasturbine die Laufschaufeln einlaufen können, durch Nie- derdruckplasmaspritzen oder durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen beschichtet werden. Mit Niederdruckplasmaspritzen sowie Hochgeschwindig- keitsflammspritzen ist jedoch eine Instandsetzung bzw. Reparatur der Mantelringsegmente nur in relativ geringem Umfang möglich, wobei die geringe erzielbare Festigkeit ein Problem ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Mantelringsegments; b) Abtragen eines beschädigten, radial innenliegenden Abschnitts des Mantelringsegments, derart, dass das Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius aufweist; c) Herstellen eines Ersatzabschnitts für das Mantelringsegment, wobei der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius des Mantelringsegments angepassten Außenradius aufweist; d) Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment; e) Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei hierzu zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Rändern im Vakuum gasdicht miteinander verschweißt werden, und wobei anschließend der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander diffusionsver- bunden werden.
Die Erfindung stellt ein völlig neuartiges Verfahren zur Reparatur bzw. Instandsetzung von Mantelringsegmenten einer Gasturbine bereit. Der zur Reparatur eines Mantelringsegments hergestellte sowie verwendete Ersatzabschnitt kann mit einer hohen Haftfestigkeit zum Mantelringsegment über eine Diffusionsverbindung sowie mit einer hohen Thermowechselfestigkeit und Duktilität bereitgestellt werden. Der Ersatzabschnitt kann aus einem einkristallinen Werkstoff hergestellt werden und eine geringere thermi-' sehe Ausdehnung und Wärmeleitfähigkeit aufweisen als der Grundwerkstoff des Mantelringsegments. Vorzugsweise werden vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Kontaktflächen durch Strahlen, insbesondere durch abrasives Oxidstrahlen, aktiviert.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden nach dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment und vor dem Fügen derselben der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment in ihrer Ausrichtung zueinander durch Punktschweißen fixiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur bzw. Instandsetzung von gehäuseseitigen Mantelringsegmenten einer Gasturbine, die vorzugsweise als Trägerstrukturen für Einlaufbeläge dienen.
Zur Reparatur eines Mantelringsegments wird so vorgegangen, dass nach dem Bereitstellen des zu reparierenden Mantelringsegments von demselben ein beschädigter, radial innenliegender Abschnitt abgetragen wird, und zwar derart, dass das zu reparierende Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius bzw. Innendurchmesser aufweist. Der beschädigte Abschnitt des Mantelringsegments kann vom Mantelringsegment zum Beispiel durch Ausdrehen abgetragen werden.
Gegebenenfalls werden vor dem Abtragen des beschädigten Abschnitts vom Mantelringsegment Kühlluftbohrungen oder Risse durch Schweißen verschlossen.
Nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts vom zu reparierenden Mantelringsegment wird sodann ein Ersatzabschnitt für das Mantelringsegment hergestellt, und zwar derart, dass der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius bzw. Innendurchmesser des vom beschädigten Abschnitt befreiten Mantelringsegments angepassten Außenradius bzw. Außendurchmesser aufweist. Der Ersatzabschnitt wird vorzugsweise durch Gießen wie zum Beispiel Feingießen oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen (Metal In- jecting Molding) hergestellt. Das vom beschädigten Abschnitt befreite Mantelringsegment sowie der hergestellte Ersatzabschnitt werden sodann relativ zueinander ausgerichtet. Vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment erfolgt vorzugsweise eine Aktivierung von im ausgerichteten Zustand sich gegenüberliegenden Kontaktflächen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment. Das Aktivieren erfolgt vorzugsweise durch abrassives Strahlen. Gegebenenfalls können Ersatzabschnitt und Mantelringsegment an den Kontaktflächen auch mit Nickel beschichtet werden, und zwar mit einer Schichtdicke zwischen 0,003 mm und 0,005 mm.
Nach dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment erfolgt ein Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei vorzugsweise nach dem Ausrichten und vor dem Fügen der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment in Ihrer Ausrichtung zueinander durch Punktschweißen fixiert werden. Zum Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment werden zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment unter Vakuum gasdicht miteinander verschweißt, vorzugsweise durch Elektronenstrahlschwei- ßen oder durch Laserstrahlschweißen. Das gasdichte Verschweißen erfolgt dabei an Rändern zwischen dem Ersatzabschnitt und dem Mantelringsegment. Nach dem gasdichten Verschweißen werden dann der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisostatisches Pressen flächig miteinander verbunden.
Nach dem Fügen erfolgt vorzugsweise eine Überprüfung bzw. Inspektion der Fügeverbindung zwischen dem Ersatzabschnitt und dem Mantelringsegment, wobei diese Überprüfung insbesondere durch Röntgen, Ultraschallinspektion oder Thermographieinspektion durchgeführt wird. Nach dem Fügen sowie gegebenenfalls nach Überprüfung der Fügeverbindung kann eine Endkonturbearbeitung des reparierten Mantelringsegments durchgeführt werden, wobei hierbei auf eine radial innenliegende Fläche des reparierten Mantelringsegments und damit auf eine radial innenliegende Fläche des Ersatzabschnitts ein Einlaufbelag oder eine Wärmedämmschicht aufgetragen werden kann.
Der zur Reparatur eines Mantelringsegments hergestellte Ersatzabschnitt kann aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden wie das Mantelringsegment. So kann der Ersatzabschnitt zum Beispiel aus einem einkristallinen Werkstoff hergestellt werden. Bei der Werkstoffauswahl für den Ersatzabschnitt ist lediglich darauf zu achten, dass derselbe eine gute Haftfestigkeit zum Mantelringsegment sowie eine hohe Thermowechselfestig- keit sowie Duktilität besitzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reparatur eines Mantelringsegments einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit zumindest den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Mantelringsegments; b) Abtragen eines beschädigten, radial innenliegenden Abschnitts des Mantelringsegments, derart, dass das Mantelringsegment nach dem Abtragen des beschädigten Abschnitts einen definierten Innenradius aufweist; c) Herstellen eines Ersatzabschnitts für das Mantelringsegment, wobei der Ersatzabschnitt einen an den Innenradius des Mantelringsegments angepassten Außenradius aufweist; d) Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment; e) Fügen des Ersatzabschnitts an das Mantelringsegment, wobei hierzu zuerst der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Rändern im Vakuum gasdicht miteinander verschweißt werden, und wobei anschließend der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment durch heißisosta- tisches Pressen flächig miteinander diffusionsverbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzabschnitt durch Gießen hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ersatzabschnitt durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Kontaktflächen vorzugsweise durch Strahlen aktiviert werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment an Kontaktflächen mit Nickel beschichtet werden, vorzugsweise in einer Schichtdicke zwischen 0,003 mm bis 0,005 mm.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausrichten von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment und vor dem Fügen derselben der Ersatzabschnitt und das Mantelringsegment in ihrer Ausrichtung zueinander durch Punktschweißen fixiert werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment eine Konturbearbeitung des reparierten Mantelringsegments durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment auf eine radial innenliegende Fläche des reparierten Mantelringsegments und damit des Ersatzabschnitts ein Einlaufbelag aufgetragen wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment auf eine radial innenliegende Fläche des reparierten Mantelringsegments und damit des Ersatzabschnitts eine Wärmedämmschicht aufgetragen wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Ersatzabschnitt und Mantelringsegment die Fügeverbindung zwischen Ersatzabschnitt und Mantelringsegment durch Röntgen, Ultraschall oder Thermographie geprüft wird.
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