EP1980631A1 - Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel für den Heissbereich einer Gasturbine - Google Patents

Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel für den Heissbereich einer Gasturbine Download PDF

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EP1980631A1
EP1980631A1 EP07007613A EP07007613A EP1980631A1 EP 1980631 A1 EP1980631 A1 EP 1980631A1 EP 07007613 A EP07007613 A EP 07007613A EP 07007613 A EP07007613 A EP 07007613A EP 1980631 A1 EP1980631 A1 EP 1980631A1
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EP
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blade
turbine
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turbine blade
mpa
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Fathi Ahmad
Michael Dr. Dankert
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Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a method for blasting a turbine blade with a blade root, a blade platform and an airfoil, which is designed for the hot region of a gas turbine.
  • Gas turbines have a cold and a warm area, which differ in particular by the temperatures prevailing during operation here.
  • the compressor is associated with its compressor blades due to the present in him comparatively low operating temperature of the cold region of the gas turbine.
  • the combustor which may experience temperatures in excess of 600 ° C during operation, belongs to the hot region of the gas turbine.
  • Such a method is for example in the EP 0 074 918 A2 described here, in particular, is provided to bombard the leading and trailing edges of the compressor blade with the blasting material to produce in this area Kompressionsvorschreiben.
  • the turbine blades arranged in the combustion chamber are also exposed to high loads, whereby cracks can occur, in particular due to the tensile forces occurring during the rotation.
  • the high operating temperatures in addition, the cracking of the combustion chamber, so that the service life of the turbine blades is significantly reduced overall.
  • This object is achieved in that at least a portion of the airfoil of the turbine blade is bombarded with a blasting material to produce in this a compression bias.
  • the basic idea of the invention is thus to produce a compression bias by bombardment with a blasting material in a turbine blade for the hot region of a gas turbine, at least in a region of the highly loaded airfoil.
  • a blasting material for the hot region of a gas turbine, at least in a region of the highly loaded airfoil.
  • the corresponding area of the surface of the blade is bombarded with blasting material at high speed.
  • the blasting material impinging on the airfoil then transfers some of its kinetic energy, producing the compression biases.
  • These biases counteract the tensile forces occurring during operation of the irradiated turbine blade, so that the load is reduced and the probability of cracking decreases. This is especially true at the high temperatures to which the turbine blade is exposed in the combustion chamber of the gas turbine during operation.
  • a portion of the trailing edge and / or the leading edge of the airfoil is bombarded with the blasting material. These portions of the airfoil are subjected to particular stresses during operation, so generating compressive biases here is very efficient in order to increase the overall life of the turbine bucket.
  • compressive biases here is very efficient in order to increase the overall life of the turbine bucket.
  • the presence of Compression biases in the trailing edge of the airfoil are essential to prevent cracking in the turbine blade during operation.
  • a compression bias of 10 to 500 MPa by bombardment with blasting material. If the compressive stress is below 10 MPa, it is too weak to significantly counteract the tensile stresses occurring during operation. Conversely, when generating compression biases in the range greater than 500 MPa, damage to the airfoil may occur during blasting.
  • a compression bias in the range of 10 to 200 MPa, in particular from 50 to 150 MPa is generated. The stresses in this area effectively counteract the tensile stresses that occur, without the risk of damaging the blade when they are produced by blasting.
  • FIG. 1 schematically a turbine blade 1, with a blade root 2, a blade platform 3 and an airfoil 4 is shown, which is provided for the hot region of a gas turbine, ie for the combustion chamber.
  • the trailing edge of the airfoil 4 is shown in the front and the front edge of the airfoil 4 at the rear in the drawing.
  • the turbine blade 1 is made of a superalloy. This may be particularly a nickel superalloy and in particular RENE80.
  • the region 7 of the trailing edge 5 of the blade 4 located immediately above the blade platform 3 is bombarded with a blasting material.
  • a blasting material for example in the EP 0074 918 A2 described blasting materials and process parameters are used.
  • a compression bias of 10 to 500 MPa is generated.
  • the entire trailing edge 5 and / or the entire front edge 6 can be bombarded with blasting material.
  • the turbine blade 1 irradiated according to the invention has a longer service life than an unirradiated turbine blade when operating in the combustion chamber of a gas turbine.
  • the cracking is reduced due to the tensile stresses acting during operation. This has been proven by the comparative tests carried out.
  • the subsequent measurement of the growth rate of the fatigue cracks has been carried out in accordance with ASTM E 647-2005.
  • the growth rate of the fatigue cracks dA / dA ( ⁇ K 1 ) would be determined by increasing ⁇ K 1 , which tests were performed on a high-frequency machine.
  • the ratio R was 0.1 and the frequency 10 Hz.
  • the determination of the crack length was determined by potential gradient measurements, whereby the potential gradient was correlated with the final crack length.
  • the CT sample sNS9ct2 was loaded to 25 kN and discharged at 900 ° C ( FIG. 5 ).
  • the results of the subsequent fatigue cracking test for this CT sample are in the FIGS. 6 and 7 shown.
  • the range of stress intensity ⁇ K 10 was increased from 15 to 20 MPa m 1/2 to obtain fatigue crack growth.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) sowie ein Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelfuß (2), einer Schaufelplattform (3) und einem Schaufelblatt (4), die für einen Heißbereich einer Gasturbine ausgelegt ist, bei dem zumindest ein Bereich des Schaufelblatts (4) der Turbinenschaufel mit einem Strahlgut beschossen wird, um in diesem eine Kompressionsvorspannung zu erzeugen. Vorteilhafterweise wird ein Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblatts (4) unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform (3) beschossen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß, einer Schaufelplattform und einem Schaufelblatt, die für den Heißbereich einer Gasturbine ausgelegt ist.
  • Gasturbinen weisen einen Kalt- und einen Warmbereich auf, die sich insbesondere durch die hier während des Betriebes herrschenden Temperaturen unterscheiden. Dabei wird der Kompressor mit seinen Kompressorblättern aufgrund der in ihm vorliegenden vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur dem Kaltbereich der Gasturbine zugeordnet. Im Gegensatz hierzu gehört die Brennkammer, in der während des Betriebes Temperaturen von mehr als 600°C auftreten können, zu dem Heißbereich der Gasturbine.
  • Im Stand der Technik sind Verfahren zum Strahlen von Kompressorschaufeln beschrieben worden. Bei diesen werden in belasteten Bereichen der Kompressorschaufel, insbesondere im Schaufelblatt, durch Beschuss mit einem Strahlgut oder durch Laserstrahlen Kompressionsvorspannungen erzeugt, die während des Betriebs den auftretenden Zugspannungen entgegenwirken. Auf diese Weise kann die Belastung der Kompressorschaufel vermindert und deren Lebensdauer erhöht werden.
  • Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 074 918 A2 beschrieben, wobei hier insbesondere vorgesehen ist, die Vorder- und Hinterkante der Kompressorschaufel mit dem Strahlgut zu beschießen, um in diesem Bereich Kompressionsvorspannungen zu erzeugen.
  • Auch die in der Brennkammer angeordneten Turbinenschaufeln sind hohen Belastungen ausgesetzt, wobei insbesondere durch die bei der Rotation auftretenden Zugkräfte Risse entstehen können. Dabei verstärken die hohen Betriebstemperaturen in der Brennkammer zusätzlich die Rissbildung, so dass die Lebensdauer der Turbinenschaufeln insgesamt erheblich reduziert wird.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel für den Heißbereich einer Gasturbine bereitzustellen, welches die Belastbarkeit und Haltbarkeit der Turbinenschaufel erhöht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Bereich des Schaufelblatts der Turbinenschaufel mit einem Strahlgut beschossen wird, um in diesem eine Kompressionsvorspannung zu erzeugen.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es also, bei einer Turbinenschaufel für den Heißbereich einer Gasturbine, zumindest in einem Bereich des hoch belasteten Schaufelblatts eine Kompressionsvorspannung durch Beschuss mit einem Strahlgut zu erzeugen. Dazu wird der entsprechende Bereich der Oberfläche des Schaufelblatts mit hoher Geschwindigkeit mit einem Strahlgut beschossen. Das auf dem Schaufelblatt auftreffende Strahlgut überträgt dann einen Teil seiner kinetischen Energie, wodurch die Kompressionsvorspannungen erzeugt werden. Diese Vorspannungen wirken beim Betrieb der bestrahlten Turbinenschaufel den auftretenden Zugkräften entgegen, so dass die Belastung gesenkt wird und die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung abnimmt. Dies gilt insbesondere auch bei den hohen Temperaturen, denen die Turbinenschaufel in der Brennkammer der Gasturbine während des Betriebs ausgesetzt ist.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Bereich der Hinterkante und/oder der Vorderkante des Schaufelblatts mit dem Strahlgut beschossen wird. Diese Bereiche des Schaufelblatts sind während des Betriebes besonderen Belastungen ausgesetzt, so dass das Erzeugen von Kompressionsvorspannungen hier sehr effizient ist, um die Lebensdauer der Turbinenschaufel insgesamt zu erhöhen. Dabei hat sich insbesondere gezeigt, dass das Vorhandensein von Kompressionsvorspannungen in der Hinterkante des Schaufelblatts wesentlich dafür ist, die Rissbildung in der Turbinenschaufel während des Betriebes zu verhindern.
  • Weiterhin ist es möglich, einen Bereich der Hinterkante und/oder Vorderkante des Schaufelblatts unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform mit dem Strahlgut zu beschießen. Hierbei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der an die Verbindungsstelle zwischen Schaufelblatt und Schaufelplattform angrenzende Bereich des Schaufelblatts während des Betriebs besonders hohen Belastungen ausgesetzt ist, was das selektive Erzeugen von Kompressionsvorspannungen hier besonders effizient macht, um die Gesamtlebensdauer der Turbinenschaufel zu erhöhen. Dies gilt vor allem für die Hinterkante des Schaufelblatts, da hier im Bereich des Schaufelblatts unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform Belastungsspitzen auftreten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa durch Beschuss mit Strahlgut zu erzeugen. Wenn die Kompressionsspannung unter 10 MPa beträgt, ist sie zu schwach, um signifikant den während des Betriebes auftretenden Zugspannungen entgegen zu wirken. Umgekehrt können bei der Erzeugung von Kompressionsvorspannungen im Bereich größer 500 MPa Beschädigungen des Schaufelblatts beim Strahlen auftreten. Bevorzugt wird eine Kompressionsvorspannung im Bereich von 10 bis 200 MPa insbesondere von 50 bis 150 MPa erzeugt. Die Spannungen in diesem Bereich wirken den auftretenden Zugspannungen effizient entgegen, ohne das bei ihrer Erzeugung durch Strahlen die Gefahr einer Beschädigung des Schaufelblatts besteht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Turbinenschaufel sind in den Unteransprüchen 6 bis 9 beschrieben.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.
  • In der Zeichnung zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Ansicht einer Turbinenschaufel für den Heißbereich einer Gasturbine.
    Figur 2
    eine Ansicht einer experimentell untersuchten Probe;
    Figur 3
    eine Auftragung des gemessenen Potentialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct1";
    Figur 4
    eine Auftragung des gemessenen Potenzialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct1";
    Figur 5
    eine Auftragung der inelastischen Überlastung bei der Probe "sNS9ct2";
    Figur 6
    eine Auftragung des gemessenen Potentialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct2";
    Figur 7
    eine Auftragung des gemessenen Potenzialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct2"; und
    Figur 8
    eine Darstellung eines Vergleiches der Rissbildungsgeschwindigkeit bei den Proben mit und ohne inelastische Überlastung.
  • In der Figur 1 ist schematisch eine Turbinenschaufel 1, mit einem Schaufelfuß 2, einer Schaufelplattform 3 und einem Schaufelblatt 4 dargestellt, die für den Heißbereich einer Gasturbine, d.h. für deren Brennkammer vorgesehen ist.
  • Dabei ist in der Zeichnung die Hinterkante des Schaufelblatts 4 vorne und die Vorderkante des Schaufelblatts 4 hinten dargestellt.
  • Die Turbinenschaufel 1 besteht aus einer Superlegierung. Hierbei kann es sich besonders um eine Nickel-Superlegierung und insbesondere um RENE80 handeln.
  • Erfindungsgemäß wird der unmittelbar über der Schaufelplattform 3 liegende Bereich 7 der Hinterkante 5 des Schaufelblatts 4 mit einem Strahlgut beschossen. Dabei können die im Stand der Technik bekannten, beispielsweise in der EP 0074 918 A2 beschriebenen Strahlmaterialien und Verfahrensparameter verwendet werden. Auf diese Weise wird in dem Bereich 7 des Schaufelblatts 4 eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa erzeugt.
  • Alternativ können andere Bereiche des Schaufelblatts 4 bestrahlt werden. So können beispielsweise die gesamte Hinterkante 5 und/oder die gesamte Vorderkante 6 mit Strahlgut beschossen werden.
  • Es ist ebenfalls möglich lediglich Teilbereiche der Vorderkante 6, beispielsweise den Bereich unmittelbar über der Schaufelplattform 3 zu strahlen.
  • Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß bestrahlte Turbinenschaufel 1 beim Betrieb in der Brennkammer einer Gasturbine eine längere Lebensdauer als eine unbestrahlte Turbinenschaufel aufweist. Insbesondere ist dabei die Rissbildung aufgrund der beim Betrieb wirkenden Zugspannungen reduziert. Dies ist durch die durchgeführten Vergleichstests belegt worden.
  • Bei diesen wurde die Wachstumsgeschwindigkeit der Ermüdungsrisse von Proben aus RENE80 mit und ohne zuvor eingebrachte Kompressionsvorspannung bei 900°C untersucht. Zur Vorbereitung des Tests wurden zwei Proben hergestellt, wobei deren Symmetrie in der Figur 2 gezeigt ist (W=40mm, B=10mm, anur 0=8,0mm). Die Startkerbe wurde erodiert.
  • Die anschließende Messung der Wachstumsgeschwindigkeit der Ermüdungsrisse ist in Übereinstimmung mit der ASTM E 647-2005 durchgeführt worden. Hier würde die Wachstumsgeschwindigkeit der Ermüdungsrisse dA/dA (Δ K1) durch Erhöhen von Δ K1 bestimmt, wobei diese Tests auf einer Hochfrequenzmaschine durchgeführt wurden. Das Verhältnis R betrug 0,1 und die Frequenz 10 Hz. Die Bestimmung der Risslänge wurde durch Potenzialgefällemessungen bestimmt, wobei das Potenzialgefälle mit der endgültigen Risslänge korreliert wurde.
  • In den Figuren 3 und 4 ist die Auftragung des Potenzialgefälles gegen den Zyklus für die CT-Probe ohne inelastische Überlastung (sNS9ct1) gezeigt. Bei Δ K10=10 MPa m1/2 trat kein Risswachstum auf. Daher wurde Δ K10 auf 15 MPa m1/2 erhöht.
  • Für die inelastische Überlastung wurde die CT-Probe sNS9ct2 auf 25 kN geladen und bei 900°C entladen (Figur 5). Die Ergebnisse des nachfolgenden Ermüdungsrisstests für diese CT-Probe sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Bei diesem Test wurde der Bereich der Belastungsintensität Δ K10 von 15 auf 20 MPa m1/2 erhöht, um ein Ermüdungsrisswachstum zu erhalten.
  • Alle Ergebnisse sind in Form einer Auftragung dA/dN (Δ K1) in der Figur 8 dargestellt. Aus der Datenauswertung ergeben sich signifikante Unterschiede zwischen den Risswachstumsdaten der Proben mit und ohne inelastische Überlastung. Wie es zu erwarten war, führt die inelastische Überlastung zur größeren Δ K1-Werten bei einer vorgegebenen Risswachstumsrate.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelfuß (2), einer Schaufelplattform (3) und einem Schaufelblatt (4), die für den Heißbereich einer Gasturbine ausgelegt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Bereich (7) des Schaufelblatts (4) der Turbinenschaufel (1) mit einem Strahlgut beschossen wird, um in diesem eine Kompressionsvorspannung zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblatts (4) mit dem Strahlgut beschossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblatts (4) unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform (3) mit dem Strahlgut beschossen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa, bevorzugt von 10 bis 200 MPa und insbesondere von 50 bis 150 MPa,
    durch das Beschießen mit dem Strahlgut erzeugt wird.
  5. Turbinenschaufel (1) für den Heißbereich einer Gasturbine, mit einem Schaufelfuß (2), einer Schaufelplattform (3) und einem Schaufelblatt (4),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest in einem Bereich (7) des Schaufelblatts (4) eine Kompressionsvorspannung vorhanden ist, die durch Beschießen mit einem Strahlgut erzeugt wurde.
  6. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblattes (4) eine Kompressionsvorspannung vorhanden ist.
  7. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblattes (4) unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform (3) eine Kompressionsvorspannung vorhanden ist.
  8. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa, bevorzugt von 10 bis 200 MPa und insbesondere von 50 bis 150 MPa,
    vorhanden ist.
  9. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sie aus einer Superlegierung, besonders aus einer Nickel-Superlegierung und insbesondere aus RENE80 besteht.
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