EP2111322A2 - Verfahren und vorrichtung zur aufbringung eines schutzmediums auf eine turbinenschaufel sowie verfahren zur einbringung von kühlbohrungen in eine turbinenschaufel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur aufbringung eines schutzmediums auf eine turbinenschaufel sowie verfahren zur einbringung von kühlbohrungen in eine turbinenschaufel

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EP2111322A2
EP2111322A2 EP07856096A EP07856096A EP2111322A2 EP 2111322 A2 EP2111322 A2 EP 2111322A2 EP 07856096 A EP07856096 A EP 07856096A EP 07856096 A EP07856096 A EP 07856096A EP 2111322 A2 EP2111322 A2 EP 2111322A2
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EP
European Patent Office
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turbine blade
carbon dioxide
cleaning
pressure
protective medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07856096A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Bayer
Max Niegl
Detlev Schünke
Michael Unger
Karsten LÖHR
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2111322A2 publication Critical patent/EP2111322A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for applying a protective medium to a turbine blade and to a method for introducing cooling bores into a turbine blade to which such a protective medium has been applied.
  • a relatively new way to drill such cooling holes in a hollow turbine blade is by laser drilling. It is essential that the laser beam penetrates only the intended for the bore wall of the hollow turbine blade without damaging the opposite wall. To ensure this, the inner cavities of the turbine blade with an easily evaporable protective medium (usually wax, sometimes oil) filled. The protective medium prevents on the one hand, that the laser beam also drills the opposite wall. On the other hand, the expanding evaporating protective medium forces the wall material melted by the laser beam out of the bore. However, this does not always succeed completely and then remain residues of molten and re-solidified material in the bore and / or their surroundings. Subsequently, the protective medium and possibly solidified wall material residues usually have to be removed consuming.
  • an easily evaporable protective medium usually wax, sometimes oil
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for the particularly efficient and as safe as possible application of a protective medium to a turbine blade and to specify a particularly efficient method for introducing cooling holes in a turbine blade.
  • a protective medium is applied to a turbine blade, in particular to the inner surface of a hollow turbine blade, by the following method steps:
  • Hot, supercritical carbon dioxide is very good crevice and therefore completely fills even the smallest cavities of the turbine blade.
  • the temperature of the turbine blade from the inside and outside takes place simultaneously and thus much more uniform and faster than a conventional heating in the oven.
  • any contaminants present in the cavities such as e.g. Dust with flushed out. Otherwise required dust holes can be omitted.
  • the supercritical carbon dioxide is characterized as tempering medium in addition to its good fissure property by the fact that it is well available, inexpensive and as a normal air component also harmless to the environment.
  • Supercritical carbon dioxide and the associated system technology are used particularly effectively if, in addition to the temperature control for the introduction of the protective medium before the laser drilling, the cleaning after laser drilling also takes place with supercritical carbon dioxide and preferably the same system technology.
  • the cleaning of the turbine blade by means of supercritical CO 2 takes place, for example, as proposed in DE 10218519 C1.
  • the cleaning medium CO 2 is compressed several times in succession and decompressed.
  • the cleaning medium is compressed to a pressure above 500 bar, preferably above 600 bar, and heated to a temperature above 150 ° C. It is then decompressed and cooled so that the gas occupies a volume which is a multiple of the volume of the compressed cleaning medium in the charge container.
  • superficially adhering, easily evaporable protective media can be almost completely removed.
  • the upper limit of the pressure is determined by economic-technical calculations and will usually not exceed 1000 bar.
  • the upper limit of the temperature is determined by the decomposition temperatures of the wax and is i.d.R. Do not exceed 400 ° C.
  • the cleaning medium is decompressed so far that the gas expands to a multiple of the volume of the compressed gas and preferably expands to a volume of the order of 100 times the volume of the compressed gas.
  • a drag aid is a non-gaseous material in which the compressed cleaning medium is soluble and which tends to bind to contaminants, applied to an object to be cleaned, and / or placed in any open cavities in the article before the article is placed in the pressure vessel.
  • the non-gaseous substance is preferably liquid, plastic or pasty, in order to ensure a good connection to the impurities. Due to the solubility with the compressed cleaning medium, the drag aids are very well taken out of the wells during decompression and carry with it impurities. As a result, even very small or very inaccessible impurities can be removed.
  • the cleaning medium consists of carbon dioxide oxide
  • suitable drag aids are commercially available alcohols, oils, fats or hydrocarbon-based waxes in which the carbon dioxide dissolves.
  • the protective medium can also serve as a drag aid and thus contribute to improving the cleaning itself.
  • the increased solubility of the protective medium in carbon dioxide at pressures from 700 bar significantly improves their flushing capacity and thereby also enables the application of heavy metal particles in the process step according to the invention.
  • the cleaning is completed by means of a further compression to a pressure above 700 bar and a heating to a temperature above 150 ° C and subsequent slow expansion. Only this final step ensures the complete removal of superficially adhering, easily vaporizable ble protective media and possibly additionally present heavier metallic particles, such as those incurred during laser drilling.
  • the process under the conditions of supercritical CO 2 in a first range at a pressure above 500 bar and a temperature above 150 ° C good cleaning properties in terms of hand shows usual waxes and in a second range at a pressure above 700 bar and a temperature above 150 ° C, the solubility of wax in CO 2 surprisingly disproportionately increases.
  • the cleaning process for example a turbine blade is reduced to, for example, about 20 minutes or less compared to previous cleaning times of up to 2 hours by the minimized process cost.
  • the method is suitable for use in series production with corresponding cost advantages.
  • the pressure vessel is substantially completely filled before cleaning with one or more objects to be cleaned and with a large number of solid packing elements.
  • the pressure vessel must be filled with much less cleaning medium, so that compression work is saved.
  • the device according to the invention for applying a protective medium to a turbine blade, in particular to the inner surface of a hollow turbine blade comprises: a carbon dioxide reservoir connected to a compressor for compressing the carbon dioxide associated with
  • the device according to the invention is additionally connected to a memory for the applied protective medium.
  • the device according to the invention additionally has a reservoir, connected to the pressure vessel for receiving the turbine blade, for the protective medium to be applied.
  • the device is configured when the memory is connected to the separator.
  • the protective medium washed out with the carbon dioxide during the cleaning of the drilled turbine blade can be separated from the carbon dioxide by the separator and returned to the reservoir.
  • temperature control and / or cleaning tank is connected via more than one circuit with the carbon dioxide storage. This makes it possible to carry out the particularly efficient two-stage bottle washing and extraction process described above.
  • FIG. 1 shows schematically and m 'CHT scale a tempering and / or cleaning system.
  • the plant has a carbon dioxide storage 1, here a commercial lent rental bottle.
  • the carbon dioxide storage 1 contains carbon dioxide at a pressure of 80 bar. It is connected via high-pressure pump 11, a heat exchanger 12 and a throttle valve 13 with the temperature control and / or cleaning tank 2.
  • the cleaning container 2 is connected in a circuit A via a throttle valve 31 with a dirt separator 32 and is then returned to the carbon dioxide storage 1.
  • the cleaning container 2 is connected in a circuit B via a throttle valve 41 with a wax separator 42 and is then returned via a compressor 43 to the carbon dioxide storage 1.
  • the dirt separator 32 is connected to a wax separator 33.
  • the wax separator 33 and 42 are connected to a wax storage 5 and this with the tempering and / or cleaning container. 2
  • the plant described above serves only as tempering;
  • the cleaning after laser drilling is done conventionally by means of HFC bath.
  • the hollow turbine blade to be provided with cooling bores is introduced into the tempering container 2 and this is closed.
  • pressure and temperature are increased up to the supercritical range of carbon dioxide (eg 200 ° C, 700 bar).
  • carbon dioxide is compressed from the carbon dioxide storage 1 via the high-pressure pump 11 and heated via the heat exchanger 12 and introduced into the temperature-controlled vessel 2 in the supercritical state.
  • the hot supercritical carbon dioxide fills all the cavities of the turbine blade and heats the entire turbine blade from inside and outside simultaneously and evenly.
  • the carbon dioxide is discharged via the circuit B pressure-free from the temperature control tank 2 and the memory 1 fed again.
  • the tempering 2 is evacuated to negative pressure.
  • wax is injected into the turbine blade and fills the cavities completely.
  • the injection or pouring of wax for example, at 85 ° C and 1.5 bar or at 120 ° C-130 ° C and 0.8 to 1.2 bar.
  • the tempering 2 is relaxed and cooled. Excess wax is removed in the wax the deposited and fed to the wax storage 5 again. The filled turbine blade is removed.
  • the plant described above serves both as a tempering and as a cleaning system.
  • the hollow turbine blade to be provided with cooling bores is introduced into the tempering / cleaning container 2 and this is closed.
  • the application of a protective medium made of wax on the inner surfaces of the turbine blade takes place according to the first embodiment.
  • the required cooling holes are introduced into the filled turbine blade by means of laser drilling.
  • the cleaning of the turbine blade of wax residues and any other impurities takes place in the tempering / cleaning tank 2.
  • FIGS. 2a to 2e The principal time course of the cleaning is shown in FIGS. 2a to 2e.
  • a first step of about 1 minute duration the turbine blade to be cleaned is introduced into the temperature control cleaning tank 2 and this is closed at normal pressure and normal temperature.
  • the temperature control / cleaning tank 2 is flowed through the circuit A with hot carbon dioxide at a pressure of about 80 bar and a temperature of about 150 ° C. A large part of the wax is melted out and washed away.
  • the wax load of the turbine blade drops during this time from over 30 g to about 1 g.
  • the wax is deposited in the wax separator 33 and fed to the wax storage 5.
  • a third step of about 2 minutes duration about 99 percent of the remaining wax is washed out by repeated spontaneous release of supercritical carbon dioxide (so-called flashing).
  • the tempering / cleaning tank 2 is filled with supercritical carbon dioxide at 700 bar and 200 ° C and then spontaneously relaxed.
  • the supercritical carbon dioxide evaporates abruptly and travels the remaining wax with it.
  • the wax is deposited in the wax separator 42 and fed to the wax reservoir 5.
  • the expanded carbon dioxide is compressed again by means of the compressor 43 and converted into carbon dioxide.
  • Memory 1 returned.
  • the remaining wax is dissolved in supercritical carbon dioxide.
  • the remaining wax is completely dissolved in supercritical carbon dioxide.
  • a fifth step of about 2 minutes duration of the tempering / cleaning tank 2 is slowly released.
  • the dissolved wax is discharged with the supercritical carbon dioxide and deposited in a wax separator and fed to the wax accumulator 5.
  • the expanded carbon dioxide is recompressed by the compressor 43 and returned to the carbon dioxide storage 1.
  • Figure 3 shows the solubility of carbon dioxide in wax and vice versa. It becomes clear that supercritical carbon dioxide is readily soluble in wax and this solubility is further enhanced with increasing pressure. Conversely, wax is hardly soluble in supercritical carbon dioxide below 300 bar ("1 wt .-%) and reached only at about 700 bar relevant solubility of a few weight percent. However, this is sufficient to allow a residue-free cleaning of hollow turbine blades.
  • the figure also shows that the temperature affects the dissolving power relatively small; the temperature essentially affects the kinetics, i. the dissolution rate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel. Dazu wird heißes überkritisches Kohlendioxid in einem Druckbehälter als Temperier- und/oder Reinigungsmedium eingesetzt und ein oder mehrere Male nacheinander komprimiert und dekomprimiert. Gemäß der Erfindung wird das Reinigungsmedium auf einen Druck dekomprimiert, bei dem das Gas ein Volumen einnimmt, das ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Reinigungsmediums in dem Druckbehälter beträgt. Dadurch kann man partikelförmige und andere Verunreinigungen auch aus Vertiefungen, Sacklöchern oder offenen Hohlräumen entfernen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel sowie Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel, auf welche ein derartiges Schutzmedium aufgebracht wurde.
Das Anwachsen der Betriebstemperatur von Turbinen bis in den Bereich der Schmelzgrenze der Werkstoffe, das für die modernen Triebwerke charakteristisch ist, war erst durch enorme Fortschritte in der Kühltechnik möglich. Dabei konnte man sich nicht mehr darauf beschränken, die heißen Bauteile durch einen Luftfilm von außen zu kühlen, sondern musste die Kühlung auch von innen her möglich machen. Die für die Turbinenkühlung bereitgestellte Luft kommt aus dem sogenannten internen Luftsystem eines Triebwerkes. Als solches werden die Luftströme bezeichnet, die nicht an der Schuberzeugung beteiligt sind. Die zur Kühlung der Turbine notwendige Luft wird über Kühllöcher in das Innere der der Turbinenschaufel geleitet.
Eine vergleichsweise neue Methode um derartige Kühllöcher in eine hohle Turbinenschaufel zu bohren ist das Laserbohren. Wesentlich dabei ist, dass der Laserstrahl nur die für die Bohrung vorgesehene Wand der hohlen Turbinenschaufel durchdringt ohne die gegenüberliegende Wand zu beschädigen. Um dies zu gewährleisten, werden die inneren Hohlräume der Turbinenschaufel mit einem leicht verdampfbaren Schutzmedium (meist Wachs, mitunter auch Öl) gefüllt. Das Schutzmedium verhindert einerseits, dass der Laserstrahl auch die gegenüberliegende Wand anbohrt. Andererseits drückt das expandierende verdampfende Schutzmedium das vom Laserstrahl aufgeschmolzene Wandmaterial aus der Bohrung. Dies gelingt jedoch nicht immer vollständig und dann verbleiben Reste geschmolzenen und wieder erstarrten Materials in der Bohrung und/oder deren Umgebung. Anschließend müssen das Schutzmedium und ggf. erstarrte Wandmaterialreste meist aufwendig entfernt werden. Eine vollständige Befüllung mit dem Schutzmedium wird mit wachsender Komplexität der Strukturen der inneren Hohlräume immer schwieriger. Deshalb werden hohle Turbinenschaufeln vor Ihrer Befüllung mit einem Schutzmedium üblicherweise in einem Ofen vorgewärmt, damit das Schutzmedium während des Befüllungsvorgangs möglichst lange möglichst fließfähig bleibt, um auch die letzten Hohlräume füllen zu können. Die erforderliche gleichmäßige Temperierung aller inneren Strukturen bedingt relativ lange Prozesszeiten. Darüber hinaus besteht bei der Entnahme der heißen Turbinenschaufeln aus dem Ofen Verbrennungsgefahr für das Bedienpersonal.
Die Entfernung des Schutzmediums aus der Turbinenschaufel nach dem Laserbohren der Kühllöcher erfolgt bisher üblicherweise mittels FKW-Bädern (früher mittels FCKW- Bädern). In der DE 10218519 Cl wird vorgeschlagen, das Schutzmedium mittels überkritischem CO2 bei einem Druck über 500 Bar und einer Temperatur über 15O0C heraus zu waschen.
Versuche haben gezeigt, dass mit dem in der DE 10218519 Cl vorgeschlagenen Verfahren zwar das Schutzmedium weitgehend aus den Hohlräumen der Turbinenschaufeln heraus gewaschen werden kann, metallische Wandmaterialreste aber nicht entfernt werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur besonders effizienten und möglichst gefahrlosen Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel anzugeben sowie ein besonders effizientes Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel anzugeben.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung. Erfmdungsgemäß erfolgt das Aufbringen eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel, insbesondere auf die innere Oberfläche einer hohlen Turbinenschaufel, durch folgende Verfahrenschritte:
Einbringen der Turbinenschaufel in einen Druckbehälter,
- Erhöhen von Druck und Temperatur bis in den überkritischen Bereich von CO2,
- Erwärmen der Turbinenschaufel durch Einbringen von heißem, überkritischem CO2,
Ausbringen des CO2 aus dem Druckbehälter,
- Absenken des Drucks unter Normaldruck,
- Einbringen des flüssigem Schutzmediums in die hohle Turbinenschaufel,
- Einstellen von Umgebungsbedingungen in dem Druckbehälter
- Entnahme der Turbinenschaufel.
Heißes, überkritisches Kohlendioxid ist sehr gut spaltgängig und füllt daher auch kleinste Hohlräume der Turbinenschaufel vollständig aus. Durch die Befüllung des Druckbehälters und gleichzeitig der Hohlräume der Turbinenschaufel mit der heißen Flüssigkeit erfolgt die Temperierung der Turbinenschaufel von Innen und Außen gleichzeitig und damit wesentlich gleichmäßiger und schneller als bei einer üblichen Erwärmung im Ofen. Außerdem werden beim Ausbringen des überkritischen Kohlendioxids eventuell in den Hohlräumen vorhandene Verunreinigungen wie z.B. Staub mit ausgeschwemmt. Ansonsten erforderliche Staubbohrungen können entfallen.
Das Absenken des Drucks unter den Normal- oder Umgebungsdruck nach der Erwärmung der Turbinenschaufel erleichtert das Einbringen des Schutzmediums in die Hohlräume der Turbinenschaufel. Üblicherweise werden leicht verdampfbare Medien wie z.B. flüssiges Wachs eingespritzt, welches sich bei Unterdruck sehr gut in den Hohlräumen verteilt und nach Einstellung von Normal- oder Umgebungsbedingungen zügig aushärtet. Danach kann die mit dem Schutzmedium versehene Turbinenschaufel gefahrlos aus dem Druckbehälter entnommen werden. Femer hat sich gezeigt, dass die Einbringung des flüssigen Schutzmediums unter Vakuum die Ausbildung von ansonsten auftretenden Poren weitestgehend ausschließt. Diese Vermeidung von Poren erhöht die Prozesssicherheit bei einem anschließenden Laserbohren.
Das überkritische Kohlendioxid zeichnet sich als Temperiermedium neben seiner guten Spaltgängigkeit dadurch aus, dass es gut verfügbar, preisgünstig und als normaler Luftbestandteil auch umweltunbedenklich ist.
Besonders effektiv eingesetzt werden überkritisches Kohlendioxid und die zugehörige Anlagentechnik dann, wenn außer der Temperierung für die Einbringung des Schutzmediums vor dem Laserbohren auch die Reinigung nach dem Laserbohren mit überkritischem Kohlendioxid und vorzugsweise derselben Anlagentechnik erfolgen.
Ein derartiges vorteilhaftes Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel umfasst die Verfahrenschritte:
- Aufbringen eines Schutzmediums wie vorstehend beschrieben, Einbringen der Kühlbohrungen mittels Laserbestrahlung,
- Reinigung der Turbinenschaufel mittels überkritischen CO2.
Die Reinigung der Turbinenschaufel mittels überkritischen CO2 erfolgt dabei z.B. wie in der DE 10218519 Cl vorgeschlagen. Das Reinigungsmedium CO2 wird mehrere Male nacheinander komprimiert und dekomprimiert. Das Reinigungsmedium wird auf einen Druck oberhalb von 500 bar, bevorzugt oberhalb von 600 bar, komprimiert und auf eine Temperatur oberhalb 150°C aufgeheizt. Anschließend wird dekomprimiert und abgekühlt, so dass das Gas ein Volumen einnimmt, das ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Reinigungsmediums im Drackbehälter beträgt. Mittels dieser Verfahrensschritte können oberflächlich anhaftende, leicht verdampfbare Schutzmedien (Wachse oder Öle) nahezu vollständig entfernt werden. Die Obergrenze des Druckes wird durch ökonomisch-technische Berechnungen bestimmt und wird i.d.R. 1000 bar nicht überschreiten.
Die Obergrenze der Temperatur wird durch die Zersetzungstemperaturen des Wachses bestimmt und wird i.d.R. 400°C nicht überschreiten.
Gemäß der Erfindung wird das Reinigungsmedium so weit dekomprimiert, dass das Gas sich auf ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Gases entspannt und sich vorzugsweise auf ein Volumen in der Größenordnung des 100-fachen des Volumens des komprimierten Gases ausdehnt.
Wenn sich das Gas entspannt bzw. frei wird, entstehen in Vertiefungen in den zu reinigenden Gegenständen nach Außen gerichtete Strömungen, die leichte Verunreinigungen wirkungsvoll mit sich reißen. Wird die Kompression und Dekompression wiederholt durchgeführt, wobei die Verunreinigungen immer wieder aus dem Reinigungsmedium abgeschieden werden, können komplex geformte Bauteile sehr sorgfältig gereinigt werden.
Bereits in der DE 10218519 Cl wird vorgeschlagen sogenannte Schlepphilfen zu verwenden. Eine Schlepphilfe ist ein nicht gasförmiger Stoff, in dem das komprimierte Reinigungsmedium löslich ist und der sich tendenziell an Verunreinigungen bindet, auf einen zu reinigenden Gegenstand aufgebracht und/oder in irgendwelche offenen Hohlräume in dem Gegenstand eingebracht, bevor der Gegenstand in den Druckbehälter gesetzt wird. Der nicht gasförmige Stoff ist vorzugsweise flüssig, plastisch oder pastös ist, um eine gute Anbindung an die Verunreinigungen zu gewährleisten. Durch die Löslichkeit mit dem komprimierten Reinigungsmedium werden die Schlepphilfen bei der Dekompression besonders gut aus den Vertiefungen mitgenommen und schleppen dabei Verunreinigungen mit. Dadurch können auch sehr kleine oder sehr unzugänglich gelegene Verunreinigungen entfernt werden. Wenn das Reinigungsmedium aus Kohlendi- oxid besteht, sind geeignete Schlepphilfen handelsübliche Alkohole, Öle, Fette oder Wachse auf Kohlenwasserstoff-Basis, in denen sich das Kohlendioxid löst.
Im Falle einer mittels Laserbohren mit Kühllöchern versehenen und mit dem Schutzmedium Wachs geschützten Turbinenschaufel kann also das Schutzmedium gleichzeitig als Schlepphilfe dienen und so selbst zur Verbesserung der Reinigung beitragen.
Versuche haben gezeigt, dass sich Kohlendioxid in den üblicherweise verwendeten Wachsen bereits bei Drücken ab 300 bar, insbesondere ab 500 bar gut löst (vgl. Figur 3). Umgekehrt sind handelsübliche Wachse in Kohlendioxid vergleichsweise schlecht löslich und erreichen erst bei Drücken von circa 700 bar relevante Löslichkeiten. Die Temperatur zeigt dabei nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Lösevermögen und beeinflusst mehr die Lösegeschwindigkeit.
Die erhöhte Löslichkeit des Schutzmediums in Kohlendioxid bei Drücken ab 700 bar verbessert deren Ausschwemmvermögen signifikant und ermöglicht dadurch auch das Ausbringen schwerer metallischer Partikel in dem erfindungsgemäß abschließenden Verfahrensschritt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens wird deshalb die Reinigung mittels einer weiteren Komprimierung auf einen Druck oberhalb von 700 bar und einer Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb 150°C und anschließender langsamer Expansion abgeschlossen. Erst dieser abschließende Schritt gewährleistet die vollständige Entfernung von oberflächlich anhaftenden, leicht verdampf baren Schutzmedien und evtl. zusätzlich vorhandenen schwereren metallischen Partikeln, wie sie beispielsweise beim Laserbohren anfallen.
Die mit der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Verfahren unter den Bedingungen von überkritischem CO2 in einem ersten Bereich bei einem Druck oberhalb 500 bar und einer Temperatur oberhalb 150°C gute Reinigungseigenschaften in Bezug auf handeis- übliche Wachse zeigt und in einem zweiten Bereich bei einem Druck oberhalb 700 bar und einer Temperatur oberhalb 150°C die Löslichkeit von Wachs in CO2 überraschenderweise überproportional ansteigt. Infolgedessen genügt es, den Reinigungsbehälter wenige Male (1 - 3 mal) zyklisch den Bedingungen des ersten Bereichs auszusetzen, um das Wachs vollständig zu lösen und zu entfernen und abschließend einmal den Bedingungen des zweiten Bereichs auszusetzen, um auch evtl. zusätzlich vorhandene schwere metallische Partikel zu entfernen. Vorteilhafterweise wird durch den minimierten Verfahrensaufwand der Reinigungsprozess, beispielsweise einer Turbinenschaufel auf beispielsweise etwa 20 Minuten oder weniger gegenüber bisherigen Reinigungszeiten von bis zu 2 Stunden reduziert. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren zu einer Verwendung in der Serienfertigung mit entsprechenden Kostenvorteilen.
In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens wird der Druckbehälter vor der Reinigung mit einem oder mehreren zu reinigenden Gegenständen sowie mit einer Vielzahl von festen Füllkörpern im Wesentlichen vollständig gefüllt. In diesem Fall muss der Druckbehälter mit wesentlich weniger Reinigungsmedium befüllt werden, so dass Kompressionsarbeit eingespart wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel, insbesondere auf die innere Oberfläche einer hohlen Turbinenschaufel, umfasst: einen Kohlendioxidspeicher verbunden mit einen Verdichter zum Verdichten des Kohlendioxids verbunden mit
- einen Wärmetauscher zum Temperieren des Kohlendioxids verbunden mit
- einen Druckbehälter zur Aufnahme der Turbinenschaufel und deren Temperierung und/oder Reinigung verbunden mit einem Abscheider zur Abscheidung von Verunreinigungen des Kohlendioxids verbunden mit dem Kohlendioxidspeicher, wobei der
- Temperier- und/oder Reinigungsbehälter zusätzlich mit einem Speicher für das aufzubringende Schutzmedium verbunden ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im Unterschied zu der aus der DE 10218519 Cl bekannten Vorrichtung zur Reinigung einer Turbinenschaufel zusätzlich einen mit dem Druckbehälter zur Aufnahme der Turbinenschaufel verbundenen Speicher für das aufzubringende Schutzmedium auf. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl für eine Temperierung der Turbinenschaufel, als auch deren Befüllung mit dem Schutzmedium als auch für deren Reinigung nach dem Laserbohren eingesetzt werden, woraus eine sehr hohe Effektivität resultiert.
Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung ausgestaltet, wenn der Speicher mit dem Abscheider verbunden ist. In diesem Fall kann das bei der Reinigung der gebohrten Turbinenschaufel mit dem Kohlendioxid herausgewaschene Schutzmedium durch den Abscheider vom Kohlendioxid getrennt und dem Speicher wieder zugeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Temperier- und/oder Reinigungs- behälter über mehr als einen Kreislauf mit dem Kohlendioxidspeicher verbunden. Dies erlaubt es, den vorstehend beschriebenen besonders effizienten zweistufigen Reini- gungsprozess mit Flaschen und Extrahieren durchzuführen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren. Darin zeigen:
Fig. 1 Schematischer Aufbau der Temperier- und/oder Reinigungsanlage,
Fig. 2a bis 2e Prinzipielle zeitliche Abfolge der einzelnen Reinigungsschritte
Fig. 3 Löslichkeiten von Kohlendioxid in Wachs und umgekehrt.
Figur 1 zeigt schematisch und m'cht maßstabsgerecht eine Temperier- und/oder Reinigungsanlage. Die Anlage weist einen Kohlendioxidspeicher 1 auf, hier eine handelsüb- liehe Mietflasche. Der Kohlendioxidspeicher 1 enthält Kohlendioxid bei einem Druck von 80 bar. Er ist über Hochdruckpumpe 11, einen Wärmetauscher 12 und ein Drosselventil 13 mit dem Temperier- und/oder Reinigungsbehälter 2 verbunden. Der Reini- gungsbehälter 2 ist in einem Kreislauf A über ein Drosselventil 31 mit einem Schmutzabscheider 32 verbunden und wird dann zum Kohlendioxidspeicher 1 zurückgeführt. Außerdem ist der Reinigungsbehälter 2 in einem Kreislauf B über ein Drosselventil 41 mit einem Wachsabscheider 42 verbunden und wird dann über einen Verdichter 43 zum Kohlendioxidspeicher 1 zurückgeführt. Der Schmutzabscheider 32 ist mit einem Wachsabscheider 33 verbunden. Die Wachsabscheider 33 und 42 sind mit einem Wachsspeicher 5 verbunden und dieser mit dem Temperier- und/oder Reinigungsbehälter 2.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dient die vorstehend beschriebene Anlage lediglich als Temperieranlage; die Reinigung nach dem Laserbohren erfolgt konventionell mittels FKW-Bad.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird die mit Kühlbohrungen zu versehende hohle Turbinenschaufel in den Temperierbehälter 2 eingebracht und dieser wird verschlossen. Im Temperierbehälter 2 werden Druck und Temperatur bis in den überkritischen Bereich von Kohlendioxid erhöht (z.B. 200°C, 700 bar). Danach wird aus dem Kohlendioxidspeicher 1 Kohlendioxid über die Hochdruckpumpe 11 verdichtet und über den Wärmetauscher 12 erhitzt und im überkritischen Zustand in den Temperierbehälter 2 eingebracht. Das heiße überkritische Kohlendioxid füllt sämtliche Hohlräume der Turbinenschaufel aus und erwärmt die gesamte Turbinenschaufel von Innen und Außen gleichzeitig und gleichmäßig. Danach wird das Kohlendioxid über den Kreislauf B druckfrei aus dem Temperierbehälter 2 entlassen und dem Speicher 1 wieder zugeführt. Der Temperierbehälter 2 wird auf Unterdruck evakuiert. Aus dem Wachsspeicher 5 wird flüssiges Wachs in die Turbinenschaufel eingespritzt und füllt deren Hohlräume vollständig auf. Das Einspritzen bzw. Eingießen von Wachs kann beispielsweise bei 85°C und 1,5 bar oder bei 120°C-130°C und 0,8 bis 1,2 bar erfolgen. Der Temperierbehälter 2 wird entspannt und abgekühlt. Überschüssiges Wachs wird im Wachsabschei- der abgeschieden und dem Wachsspeicher 5 wieder zugeführt. Die befüllte Turbinenschaufel wird entnommen.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dient die vorstehend beschriebene Anlage sowohl als Temperier- als auch als Reinigungsanlage.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird die mit Kühlbohrungen zu versehende hohle Turbinenschaufel in den Temperier-/Reinigungsbehälter 2 eingebracht und dieser wird verschlossen. Das Aufbringen eines Schutzmediums aus Wachs auf die inneren Oberflächen der Turbinenschaufel erfolgt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In die befüllte Turbinenschaufel werden mittels Laserbohren die benötigten Kühlbohrungen eingebracht. Die Reinigung der Turbinenschaufel von Wachsresten und eventuellen weiteren Verunreinigungen erfolgt in dem Temperier-/Reinigungsbehälter 2.
Der prinzipielle zeitliche Verlauf der Reinigung ist in den Figuren 2a bis 2e dargestellt. In einem ersten Schritt von circa 1 Minute Dauer wird die zu reinigende Turbinenschau- fel in den Temperier-ZReinigungsbehälter 2 eingebracht und dieser wird bei Normaldruck und Normaltemperatur verschlossen. In einem zweiten Schritt von circa einer weiteren Minute Dauer wird der Temperier-/Reinigungsbehälter 2 über den Kreislauf A mit heißem Kohlendioxid bei einem Druck von circa 80 bar und einer Temperatur von circa 150°C durchströmt. Dabei wird ein großer Teil des Wachses ausgeschmolzen und fortgeschwemmt. Die Wachsbeladung der Turbinenschaufel sinkt während dessen von über 30 g auf circa 1 g ab. Das Wachs wird im Wachsabscheider 33 abgeschieden und dem Wachsspeicher 5 zugeführt. In einem dritten Schritt von circa 2 Minuten Dauer werden circa 99 Prozent des verbliebenen Wachses durch mehrmaliges spontanes Entspannen von überkritischem Kohlendioxid ausgewaschen (sog. Flashen). Dazu wird der Temperier-/Reinigungsbehälter 2 mit überkritischem Kohlendioxid bei 700 bar und 200°C befüllt und dann spontan entspannt. Dabei verdampft das überkritische Kohlendioxid schlagartig und reist das verbliebene Wachs mit sich. Das Wachs wird im Wachsabscheider 42 abgeschieden und dem Wachsspeicher 5 zugeführt. Das entspannte Kohlendioxid wird mittels des Verdichters 43 wieder verdichtet und zum Kohlendioxid- Speicher 1 zurückgeführt. In einem vierten Schritt wird das verbliebene Wachs in überkritischem Kohlendioxid gelöst. Dazu wird der Temperier-/Reinigungsbehälter 2 mit überkritischem Kohlendioxid bei 700 bar und 200°C befällt. Nach circa 9 Minuten ist das verbliebene Wachs vollständig im überkritischen Kohlendioxid gelöst. In einem fünften Schritt von circa 2 Minuten Dauer wird der Temperier-/Reinigungsbehälter 2 langsam entspannt. Dabei wird das gelöste Wachs mit dem überkritischen Kohlendioxid ausgetragen und im Wachsabscheider abgeschieden und dem Wachspeicher 5 zugeführt. Das entspannte Kohlendioxid wird mittels des Verdichters 43 wieder verdichtet und zum Kohlendioxidspeicher 1 zurückgeführt.
Figur 3 zeigt die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wachs und umgekehrt. Es wird deutlich, das überkritisches Kohlendioxid gut in Wachs löslich ist und sich diese Löslichkeit mit steigendem Druck noch weiter verbessert. Umgekehrt ist Wachs in überkritischen Kohlendioxid unterhalb von 300 bar kaum löslich (« 1 Gew.-%) und erreicht erst bei circa 700 bar relevante Löslichkeit von wenigen Gewichtsprozenten. Dies ist jedoch ausreichend um eine rückstandsfreie Reinigung von hohlen Turbinenschaufeln zu ermöglichen. Die Figur zeigt auch, dass die Temperatur das Lösevermögen verhältnismäßig gering beeinflusst; die Temperatur beeinflusst im Wesentlichen die Kinetik, d.h. die Lösegeschwindigkeit.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel, insbesondere auf die innere Oberfläche einer hohlen Turbinenschaufel, umfassend die Verfahrenschritte:
- Einbringen der Turbinenschaufel in einen Druckbehälter,
- Erhöhen von Druck und Temperatur bis in den überkritischen Bereich von CO2,
Erwärmen der Turbinenschaufel durch Einbringen von heißem, überkritischem CO2, Ausbringen des CO2 aus dem Druckbehälter,
- Absenken des Drucks unter Normaldruck,
- Einbringen des flüssigem Schutzmediums in die hohle Turbinenschaufel,
- Einstellen von Umgebungsbedingungen in dem Druckbehälter
- Entnahme der Turbinenschaufel.
2. Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel umfassend die Verfahrenschritte:
Aufbringen eines Schutzmediums nach Anspruch 1, Einbringen der Kühlbohrungen mittels Laserbestrahlung, Reinigung der Turbinenschaufel mittels überkritischen CO2.
3. Verfahren zur Einbringung von Kühlbohrungen in eine Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die Reinigung mittels überkritischen CO2 in einem Druckbehälter erfolgt und das CO2 ein oder mehrere Male nacheinander komprimiert und dekomprimiert wird und dazu auf einen Druck oberhalb von 500 bar komprimiert und auf eine Temperatur oberhalb 150°C aufgeheizt wird, und anschließend dekomprimiert und abgekühlt wird, so dass das Gas ein Volumen einnimmt, das ein Vielfaches des Volumens des komprimierten Reinigungsmediums im Druckbehälter beträgt, wobei das Reinigungsmedium abschließend auf einen Druck oberhalb von 700 bar komprimiert und auf eine Temperatur oberhalb 150°C aufgeheizt wird, und anschließend dekomprimiert und abgekühlt wird.
4. Vorrichtung zur Aufbringung eines Schutzmediums auf eine Turbinenschaufel, insbesondere auf die innere Oberfläche einer hohlen Turbinenschaufel, umfassend: einen Kohlendioxidspeicher 1 verbunden mit einen Verdichter 11 zum Verdichten des Kohlendioxids verbunden mit einen Wärmetauscher 12 zum Temperieren des Kohlendioxids verbunden mit einen Druckbehälter 2 zur Aufnahme der Turbinenschaufel und deren Temperierung und/oder Reinigung verbunden mit einem Abscheider 33 zur Abscheidung von Verunreinigungen des Kohlendioxids verbunden mit dem Kohlendioxidspeicher 1 , wobei der Temperier- und/oder Reinigungsbehälter 2 zusätzlich mit einem Speicher 5 für das aufzubringende Schutzmedium verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher 5 mit dem Abscheider 33 verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperier- und/oder Reinigungsbehälter 2 über mehr als einen Kreislauf mit dem Kohlendioxidspeicher 1 verbunden ist.
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