EP2611567A1

EP2611567A1 - Verfahren zum rekonturieren einer kompressor- oder turbinenschaufel für eine gasturbine

Info

Publication number: EP2611567A1
Application number: EP11749091.2A
Authority: EP
Inventors: Stefan Czerner
Original assignee: Lufthansa Technik AG
Current assignee: Lufthansa Technik AG
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-07-10
Also published as: CN103079754A; CN103079754B; SG187975A1; US9056371B2; JP2013535620A; JP5589142B2; WO2012028267A1; US20120047735A1; DE102010036042B3; BR112013004860A2

Abstract

Verfahren zum Rekonturieren einer Kompressor- oder Turbinenschaufel (1) für eine Gasturbine, wobei die Eintrittskante (2) der Kompressor- oder Turbinenschaufel (1) mindestens in einem Teilbereich durch einen Energiestrahl (8) derart gezielt aufgeschmolzen wird, dass der Werkstoff im Wesentlichen ohne Zugabe von zusätzlichem Werkstoff zu einer Neukontur (5) erstarrt.

Description

Verfahren zum Rekonturieren einer Kompressor- oder Turbinenschaufel für eine Gasturbine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonturieren einer Kompressor- oder Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Bauteile in Gasturbinen, insbesondere in Flugzeugtriebwerken, unterliegen im Betrieb einem durch erosive Stoffe, bspw. durch Sand oder Staub oder Eis, verursachten Verschleiß. Im vorderen Teil der Gasturbine, dem Bereich des Kompressors, führt Erosion in der Regel zu einer Abflachung der Strömungs- Eintrittskanten (Leading Edge) der Kompressorschaufeln. Die Kompressorschaufeln haben in ihrer unverschlissenen Form ein aerodynamisch optimiertes Profil, welches durch den Verschleiß nachteilig verändert wird. Als Konsequenz einer solchen Verschlechterung des aerodynamischen Profils verliert die Gasturbine an Effizienz, das heißt die Gasturbine benötigt für die gleiche Leistung mehr Treibstoff. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es daher erstrebenswert, dem Verschleiß von Kompressorschaufeln, insbesondere einer Verschlechterung von aerodynamisch optimierten Schaufelgeometrien, entgegen zu wirken. Zu diesem Zweck haben sich Reparaturverfahren etabliert, die darauf abzielen, beschädigte Kompressorschaufeln wieder mit aerodynamischen optimierten Geometrien zu versehen. Ein übliches Reparaturverfahren für Kompressorschaufeln ist beispielsweise das Schleifen der Eintrittskante von Kompressorschaufeln.

Durch das Schleifen werden die abgeflachten Profilbereiche und die aufgerauten Oberflächen dieser Bereiche verrundet und geglättet. Eine Vorrichtung für ein solches Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln, das auf dem Abschleifen der Strömungs-

BESTÄTIGUNGSKOPIE Eintrittskanten basiert, ist beispielsweise in der Patentschrift US 6 302 625 Bl beschrieben. Unter Turbinenschaufeln können einerseits alle in der Gasturbine eingesetzten Schaufeln verstanden werden. Für den Fachmann sind Turbinenschaufeln in der Regel allerdings nur solche Schaufeln, die im Bereich der Turbine des Triebwerks eingesetzt werden, wohingegen Kompressorschaufeln nur im Bereich des Kompressors zum Einsatz kommen. Allerdings wird im Folgenden der Begriff Gasturbinenschaufel verwendet, um Kompressorschaufeln (einschließlich Fan Blades) und Turbinenschaufeln zu bezeichnen.

Ein Problem von derartigen Reparaturverfahren liegt in der Natur des Schleifverfahrens. Beim Schleifen handelt es sich um ein spanabhebendes Verfahren, es wird also Material abgeschliffen, bis eine aerodynamisch vorteilhafte Eintrittskante realisiert ist. Der Verlust des Grundwerkstoffs der Gasturbinenschaufel während des Schleifens kann allerdings in etwa e- benso hoch sein wie der Verlust an Grundwerkstoff durch die Erosion selber. Es wird also zuerst durch erosiven Verschleiß im Betrieb Grundwerkstoff der Gasturbinenschaufel und anschließend nochmals während des standardmäßigen Reparaturverfahrens eine vergleichbar hohe Menge an Grundwerkstoff abgetragen. Diese doppelte Reduktion von Material wirkt sich direkt verkürzend auf die Sehnenlänge der Gasturbinenschaufel aus, die Gasturbinenschaufel wird also in Strömungsrichtung gesehen kürzer, was wiederum in der Regel zu einer weiteren Verringerung der Effizienz und/oder aerodynamischen Stabilität (in Bezug auf die Pumpgrenze (engl. Stall Margin), dem Sicherheitsabstand zum Turbinenschaufel-Strömungsabriss) der Gasturbinenschaufel führt. Dieser Effekt tritt bei jeder Reparatur erneut auf, bis die Sehnenlänge so kurz ist, dass beispielsweise eine Ko_.mpressorschaufel nicht mehr eingesetzt werden kann. Zu besonders großen Verkürzungen der Sehnenlänge führen dabei Kerben oder Einbuchtungen in den Gasturbinenschaufein, die bspw. durch eingesaugte Steine oder Vögel entstehen. Da sich solche Kerben in der Regel sehr schlecht auf die mechanischen und aerodynamischen Eigenschaften der Gasturbinenschaufel auswirken, muss so viel Material von der Gasturbinenschaufel abgetragen werden, bis die Kerbe komplett herausgearbeitet bzw. großflächig verrundet ist. Des Weiteren ist auch der reine Verlust an Masse, also die Reduktion des Gewichts der Gasturbinenschaufel unabhängig von der eben beschriebenen Änderung der Bauteilgeometrie, problematisch. Werden Kompressorschaufeln beispielsweise am zusammengebauten Motor, also einem Triebwerk, das noch am Flügel eines Flugzeugs hängt ( , on wing' ) , geschliffen, dann können durch unterschiedlich hohen Materialabtrag der einzelnen Kompressorschaufeln Unwuchten entstehen. Bei Reparaturverfahren, in denen die Gasturbinenschaufeln aus der Gasturbine ausgebaut werden, können Unwuchten durch ein Wiegen und anschließendes gewichtsspezifisches Verteilen reduziert werden. Allerdings sind solche Reparaturverfahren, die das Zerlegen der Gasturbine umfassen, auch um ein Vielfaches aufwendiger und können nicht oder nur sehr aufwendig vor Ort durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Rekonturieren einer Kompressor- oder Turbinenschaufel für eine Gasturbine bereitzustellen, das mit möglichst wenig Materialabtrag verbunden ist .

Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den zugehörigen Beschreibungen und Zeichnungen zu entnehmen.

Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Rekonturieren einer Kompressor- oder Turbinenschaufel für eine Gasturbine vorgeschlagen, wobei die Eintrittskante der Kompressor- oder Turbinenschaufel mindestens in einem Teilbereich durch einen Energiestrahl derart gezielt aufgeschmolzen wird, dass der Werkstoff im Wesentlichen ohne Zugabe von zusätzlichem Werkstoff zu einer Neukontur erstarrt. Unter Neukontur wird in diesem Zusammenhang eine gegenüber der unbearbeiteten Eintrittskante veränderte, aerodynamisch vorteilhafte Kontur verstanden. Als Neukontur wird insbesondere die Ausgestaltung der Verrundung der im erodierten Zustand abgeflachten, also zum Teil eckigen, Strömungseintrittskante bezeichnet. Die Neukontur bezeichnet hierbei ein Profil, das sich weitgehend am Auslieferungszustand des Neuteils orientiert. Sie bezeichnet eine dem Auslieferungszustand ähnliche Kontur, die durch das erfindungsgemäße Rekonturieren entsteht. Durch das Aufschmelzen können z.B. Kerben oder Einbuchtungen entfernt werden, da die Schmelze in solche Vertiefungen in der Gasturbinenschaufel, insbesondere der Eintrittskante, hineinläuft und diese auffüllt. Dadurch muss die Eintrittskante nicht bis auf ein Niveau unter der Kerbe abgeschliffen werden, sondern idealer Weise erfolgt gar kein nennenswerter Materialabtrag und das Material der Gasturbinenschaufel wird nur umverteilt . Diese Umverteilung des Materials unterscheidet das erfindungsgemäße Verfahren von Verfahren nach dem Stand der Technik, in denen zwar auch Teilbereiche der Eintrittskante aufgeschmolzen werden (bspw. beim Auftragsschweißen) , dies aber mit der Addition von zusätzlichem Werkstoff in erheblichen Ausmaß erfolgt. Beispielsweise wird beim Auftragsschweißen typischerweise ein Vielfaches des aufgeschmolzenen Volumens des Originalwerkstoffs an zusätzlichem Werkstoff aufgebracht. Durch diesen zusätzlichen Werkstoff wird bspw. beim Auftragsschweißen eine erodierte Eintrittskante wieder aufgebaut, das Volumen und die Masse der Eintrittskante und dementsprechend der Kompressor- oder Turbinenschaufel wird erhöht. Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt im Wesentlichen ohne Zugabe von zusätzlichem Werkstoff und unterscheidet sich dadurch von den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass kein Materialver- lust durch Spanverfahren (bspw. Schleifprozesse) bei der Re- konturierung entsteht . Es entsteht durch das Rekonturieren dementsprechend auch keine (bzw. eine äußerst minimale) Veränderung des Momentengewichts und dementsprechend keine messbare (bzw. eine äußerst geringe) Veränderung des Rundlaufs aufgrund von Massenträgheit der Gasturbinenschaufeln im eingebauten Zustand. Ein Neuwuchten ist dadurch nicht erforderlich. Darüber hinaus liegt ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass sich die Sehnenlänge (auch Chordlänge) der Gasturbinenschaufeln durch das Reparaturverfahren nicht weiter verkürzt, sondern wie an späterer Stelle beschrieben sogar zum Teil wieder aufgebaut werden kann. Die Gasturbinenschaufel kann dadurch deutlich länger eingesetzt werden, was die Wartungskosten des Triebwerks signifikant reduziert.

Vorzugsweise erstarrt der Werkstoff im Wesentlichen ohne Zugabe von zusätzlichem Werkstoff zu einer vorgegebenen Neukontur. Vorgegeben bedeutet dabei, dass das Aufschmelzen des Werkstoffs und die sich anschließende Geometrieänderung nicht wahllos erfolgt, sondern dass zumindest versucht wird eine bestimmte Gestalt bzw. Geometrie Neukontur zu schaffen, die bspw. hinsichtlich ihrer aerodynamischen Eigenschaften verbessert wird. Eine „Vorgabe" im Sinne einer „vorgegebenen Neukontur" ist beispielsweise auch das Bestreben eine Neukontur zu schaffen, die die Sehnenlänge der Gasturbinenschaufel verlängert bzw. wiederherzustellt .

Vorzugsweise wird die Sehnenlänge der Kompressor- oder Turbi- nenschaufel durch das Verfahren um 0,1 mm bis 5 mm, weiter bevorzugt 0,1 mm bis 2 mm, beispielsweise 1,5 mm, verlängert. Bevorzugt erfolgt die Widerherstellung durch weniger als 7, weiter bevorzugt weniger als 4, Rekonturierungsvorgänge bzw. Schmelzschweißvorgänge. Im Unterschied zu bekannten Auftrags- schweißungen werden keine oder nur sehr kleine Mengen Zusatzwerkstoff eingebracht .

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass im Gegensatz zu bekannten Auftragsschweißungen, keine oder nur eine minimale Vorbereitung des Schweißgrundes bzw. der Eintrittskante nötig ist. Üblicherweise werden zur Vorbereitung auf eine Auftragsschweißung mehrere Millimeter des Grundwerkstoffs von der Gasturbinenschaufel abgefräst, für eine Rekon- turierung im Sinne der Erfindung ist eine derart aufwendige Vorbereitung nicht nötig.

Vorzugsweise wird die Eintrittskante durch das Aufschmelzen verrundet . Durch das Verrunden werden die aerodynamischen Eigenschaften der Gasturbinenschaufel verbessert, da eine verrundete Eintrittskante deutlich bessere aerodynamische Eigenschaften aufweist als eine planare Eintrittskante. Zum Verrunden wird die üblicherweise hohe Oberflächenspannung der Werkstoffe, die an den Vorderkanten von Gasturbinenschaufeln üblicherweise eingesetzt werden, beispielsweise Ti6Al4V oder Inco- nel 718, genutzt, um die Eintrittskante dieser Gasturbinenschaufeln zu verrunden. Die hohe Oberflächenspannung der Materialschmelze hat zur Folge, dass die Schmelze bestrebt ist, die für sie energetisch optimale Kugelform zu erreichen. Durch die vorteilhaft ausgenutzte Oberflächenspannung der Schmelze weist die rekonturierte Eintrittskante dementsprechend die aerodynamisch vorteilhaften Verrundungen auf. Vorzugsweise wird die in den Teilbereich eingebrachte Energie des Energiestrahls derart gesteuert, dass unterschiedliche Verrundungsradien realisiert werden. Beispielsweise kann durch eine Leistungssteuerung der eingebrachten Energie des Energiestrahls eine Temperatursteuerung der Oberfläche der Material - schmelze realisiert werden. Da die Temperatur der Oberfläche der Schmelze einen direkten Einfluss auf die Oberflächenspannung der Schmelze hat, kann durch die Temperatursteuerung auch gezielt die Oberflächenspannung der Schmelze eingestellt werden. Mit steigender Temperatur verändert sich die Oberflächenspannung um einen Spannungsgradienten multipliziert mit dem Temperaturunterschied. Bei reinen Metallen ist dieser Spannungsgradient negativ, daraus folgt, dass diese Metallschmelzen mit steigender Temperatur eine Verringerung der Oberflächenspannung aufweisen. Dieser Effekt wird eingesetzt, um durch Temperatursteuerung der Oberfläche den gewünschten Ver- rundungsradius zu erzielen. Zusätzlich zu der Temperatur werden dabei auch das aufgeschmolzene Volumen und die Oberflächengröße des aufgeschmolzenen Bereichs eingestellt und variiert. Als Hilfsmittel zur Energie- bzw. Temperatursteuerung können bspw. auch Kamerasysteme eingesetzt werden, mit denen die Oberfläche einerseits beobachtet wird und die Daten dann bei Bedarf zur Regelung der Rekonturierung eingesetzt werden. Die in den Teilbereich eingebrachte Energie kann beispielsweise dadurch gesteuert werden, indem die Energiedichte des Energiestrahls verändert wird, oder indem der Energiestrahl gesteuert bewegt wird.

Vorzugsweise wird die Eintrittskante durch mehrfaches Aufschmelzen zu der Neukontur rekonturiert . Bevorzugt wird die Eintrittskante durch höchstens sechsfaches Aufschmelzen rekonturiert. Durch die erosiven Einwirkungen auf die Eintrittskante der Gasturbinenschaufel verliert diese über die Zeit ihre aerodynamisch optimierte Kontur. Erosiver Verschleiß, Einbuch tungen und Kerben führen zu einer inhomogenen Erosionskontur. In der Regel ist diese Erosionskontur der Eintrittskante vor dem Reparaturfall näherungsweise planar bzw. senkrecht zur Strömungsrichtung mit hoher Rauhigkeit ausgeprägt. Diese Erosionskontur kann mit einer guten Qualität in eine aerodynamisch deutlich verbesserte homogenere nicht planare, verrunde te Neukontur überführt werden, wenn die Erosionskontur mehrfach lokal aufgeschmolzen wird und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung der Materialschmelze verrundet wird. Durch mehrfaches Aufschmelzen fällt es auch leichter, verschiedene Verrundungsradien zu realisieren, die für eine strömungsopti- mierte Kontur der Gasturbinenschaufel, bspw. des Fan Blades, an der Eintrittskante zuträglich sind.

Vorzugsweise ist der verwendete Energiestrahl dabei in einer Richtung senkrecht zur Stirnfläche der Erosionskontur in die Eintrittskante ausgerichtet. Durch eine direkte Ausrichtung des Energiestrahls auf die Stirnfläche trifft der Energiestrahl genau auf dem Teilbereich der Eintrittskante der Gasturbinenschaufel auf, welcher durch Erosion beschädigt ist. Dabei kann es vorteilhaft sein, Mittel zur Strahlenabsorption vorzusehen, damit der Energiestrahl nicht aufgrund von reflek tierender oder streifender Strahlung Undefiniert in andere Bauteile oder Bauteilbereiche einkoppelt. Der Energiestrahl rekonturiert vorzugsweise in zwei oder mehr Verrundungsschrit ten die Breite der Eintrittskante. In mehreren gezielten Ver- rundungsschritten wird die Eintrittskante mit jedem Schritt immer näher zur gewünschten Neukontur rekonturiert. Diese Vor gehensweise liefert die besten Ergebnisse, da nur eine begrenzte Menge des Materials auf einmal aufgeschmolzen wird, welches sowohl beim Aufschmelzen als auch beim Erstarren einfacher zu kontrollieren ist. Der Vorteil bei dieser Rekontu- rierung ist, dass gezielt etwas von der durch die Erosion verloren gegangenen Sehnenlänge wieder aufgebaut werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach nicht nur ein Verkürzen der Sehnenlänge aufgrund von Schleifbearbeitung vermieden werden, sondern es kann durch die Neuverteilung des Materials der Eintrittskante ein Teil der erodierten Sehnenlänge wieder aufgebaut werden. Durch die größere Sehnenlänge ist die derart reparierte Gasturbinenschaufel aerodynamisch besser als eine Gasturbinenschaufel, welche nach bekannten Verfahren repariert wurde, wobei außerdem die Lebensdauer verlängert wird, da die kritische Sehnenlänge, bei der ein Reparieren nicht mehr möglich ist, erst nach einer wesentlich höheren Anzahl von Rekonturierungsvorgängen erreicht wird.

Vorzugsweise liegen die erzeugten Verrundungsradien bei 0,1 bis 10 mm, da diese Verrundungsradien zu guten aerodynamischen Eigenschaften der reparierten Gasturbinenschaufeln führen.

Vorzugsweise können in den von dem Energiestrahl aufgeschmolzenen Bereich sehr kleine Mengen von Zusatzstoffen eingebracht werden. Zwar zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass im Wesentlichen auf die Zugabe von zusätzlichem Material verzichtet werden kann, es können aber sehr kleine Mengen (weniger als 50%, bevorzugt weniger als 25 %, weiter bevorzugt weniger als 10% des aufgeschmolzenen Volumens) an Zusatzstoffen in die Schmelzzone eingebracht werden, um bspw. eine besonders harte, erosionsbeständige oder anderweitig vorteilhafte Eintrittskanten zu realisieren. Der Unterschied zu bekannten Verfahren besteht dabei, dass diese Additive weniger dazu dienen, um erodiertes Volumen der Eintrittskante wiederherzustellen (wie es beispielsweise beim Auftragsschweißen der Fall ist) , sondern um die Materialeigenschaften der Eintrittskante vorteilhaft zu verändern. Vorzugsweise erfolgt die Reparatur der Kompressor- oder Turbinenschaufel , on wing' , d.h. bei eingebauter Schaufel einer an dem Flugzeug montierten Gasturbine, die Gasturbinenschaufeln müssen also nicht ausgebaut werden. Die erfinduhgsgemäße , on wing' Reparatur ist dabei einer ,on wing' Reparatur nach dem Stand der Technik, die im Wesentlichen daraus besteht, dass ein Arbeiter mit Schleifpapier bzw. einer Schleifmaschine die Kompressorschaufeln der ersten Kompressorstufe (Fan Blades) von Hand abschleift, deutlich überlegen. Der schon beschriebene Vorteil der Minimierung von Materialverlust hat dabei den erstrebenswerten Nebeneffekt, dass, im Gegensatz zum Schleifen, keine Späne oder Stäube in das Triebwerk hineinfallen können. Diese Späne können im Triebwerk Schaden verursachen, da sie z.B. Kühlluftöffnungen verstopfen oder Materialbrände oder Metalldiffusionen in HPT-Schaufein (Turbinenschaufeln, die im Bereich nach der Brennkammer, der High Pressure Turbine eingesetzt werden) verursachen können. Neben diesen Problemen, die durch Späne und Stäube verursacht werden, können auch Probleme durch so genanntes , Windmilling' (Schaufelkranzrotation) bei der Bearbeitung vermieden werden.

Bei dem , Windmilling' handelt es sich um ein ungewolltes Rotieren der ersten Kompressorstufe, des Fans, das beispielsweise durch leichten Wind ausgelöst werden kann. Bei Reparaturverfahren nach dem Stand der Technik wird das , Windmilling' dadurch verursacht, dass die Reparatur der Gasturbinenschaufel mittels eines Schabers, einer Schleifmaschine oder einer Fräse erfolgt, über die während der Reparatur ein Anpressdruck auf die Gasturbinenschaufel ausgeübt wird, der die Gasturbinenschaufel zu einer Rotationsbewegung antreibt . Aus diesem Grund muss der Schaufelkranz des Triebwerks, z.B. der Fan, während der Reparatur festgesetzt werden. Den Fan festzusetzen birgt allerdings das Risiko, dass ein induziertes Drehmoment durch eine Bearbeitung die Schwalbenschwanzführung der Fan Blades oder des Disks beschädigen kann. Zwar könnte der Fan durch ein Blockieren der LPT (Low Pressure Turbine) festgesetzt werden, eine solche Vorgehensweise zieht allerdings eine aufwendige Nachweisführung nach sich, da sichergestellt werden muss, dass durch das Blockieren keine Beschädigung der Disk oder der Schaufelfuß-Druckflächen (Pressure Faces) erfolgen kann. Darüber hinaus wird durch das Festsetzen des Fans der Arbeitsaufwand erhöht, da nach einem Festsetzen der Welle eine Drehung zur Bearbeitung des nächsten Fan Blades in der gleichen Arbeitshöhe nicht möglich ist. Die Welle muss also von Zeit zu Zeit gelöst, gedreht und wieder festgesetzt werden, was zeitaufwendig und damit wirtschaftlich nachteilig ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Reparaturverfahren ist ein Festsetzen des Fans nicht unbedingt erforderlich, da ein Energiestrahl verwendet wird, der berührungslos und ohne Anpressdrücke auf das Fan Blade des Fans einwirkt. Dadurch dass keine Andruckkräfte bei der Bearbeitung notwenig sind, entsteht auch kein Drehmoment aus der Bearbeitung heraus. Es kann zwar auch im erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll sein, den Fan festzusetzen, um bspw. einer verwendeten Positioniereinrichtung ein Gegenlager zu bieten, aber ein solches Festsetzen kann dann ungleich leichter, also mit sehr viel geringerer mechanischer Steifigkeit als die bisher erforderliche Vorrichtung ausgeführt werden, da die notwendigen Kräfte zur Fixierung des Fans bei dem erfindungsgemäßen Reparaturverfahren sehr viel geringer sind. Ein Vermeiden einer mechanischen Bearbeitung der Fan Blades hat außerdem den Vorteil, dass keine Schwingungen durch rotierende Werkzeuge, besonders durch Fräser oder Schleifer, in Fan Blades eingeleitet werden. Solche Schwingungen können zu einem Klappern in Schaufelfüßen führen und dadurch Schäden an den Beschichtungssystemen verursachen. Es wird im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise keine bzw. eine lediglich vernachlässigbare mechanische Kraft durch den Bearbeitungspro- zess in die Gasturbinenschaufel eingeleitet, so dass eine mögliche Schwingungsanregung oder induzierte Drehmomente sehr gering sind, was vor allem bei den großen Hebelarmen der Fan Blades (600-800 mm) vorteilhaft ist.

Vorzugsweise kann der Energiestrahl in einem Winkel von 5 bis 135° zur Saugseite und/oder Druckseite der Kompressor- oder Turbinenschaufel ausgerichtet werden. Ein Vorteil einer solchen Anordnung des Energiestrahls von der Seite im Bereich der neu zu verteilenden WerkstoffOberfläche ist, dass durch die Energieeinbringung an diesem Ort das Material zur kälteren Eintrittskante hin getrieben wird, und verlorene Sehnenlänge relativ einfach wieder aufgebaut werden kann. Zusätzlich wird vermieden, dass am Schmelzbad reflektierte Strahlung andere Bauteilbereiche erwärmt als die Eintrittskante selber. Ein Strahlenfang kann hierdurch einfacher ausgeführt, bzw. verwendet oder eingebaut, werden.

Vorzugsweise ist der Energiestrahl als Laserstrahl ausgeführt. Ein Ausführen des Energiestrahls als Laserstrahl ist für das Reparaturverfahren vorteilhaft, da der Laser unter Umgebungsdruck eingesetzt werden kann und so die zu reparierenden Gas- turbinenschaufein nicht aufwendig in eine Vakuumkammer gebracht werden müssen, sondern vorteilhafter Weise auch im eingebauten Zustand repariert werden können. Außerdem ermöglicht die Verwendung eines Laserstrahls ein genaues zielgerichtetes Aufschmelzen der Gasturbinenschaufeln, so dass das Reparaturverfahren insgesamt sehr effizient ist. Dabei ist der Laser vorzugsweise als Scheibenlaser, Diodenlaser, Nd: YAG-Laser, CO2- Laser, Gaslaser und/oder Faserlaser ausgeführt und weist eine Leistung von 200 bis 2000 W auf. Gute Ergebnisse werden mit achssymmetrischer Strahlung erzielt, bei welcher die Strahl - einwirkflächen auf der Schmelzbadoberfläche näherungsweise Ellipsen ähneln. Aber auch andere Leistungsdichteverteilungen, wie Kreise, Ringe oder Striche, können in besonderen Fällen vorteilhaft sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert. In den Figuren ist im Einzelnen zu erkennen:

Fig. 1: Schematische Darstellung von zwei Kompressorschaufeln im Kompressor einer Gasturbine;

Fig. 2: Darstellung der Materialvolumenumverteilung beim Re- konturieren;

Fig. 3: Schematische Darstellung eines Rekonturierens mit einem direkt auf die Eintrittskante gerichteten Energiestrahl;

Fig. 4: Schematische Darstellung eines Rekonturierens mit einem in einem Winkel auf die Eintrittskante gerichteten Energiestrahl ;

Fig. 5: Darstellung der Materialströmungen in aufgeschmolzenen Materialbereichen ;

Fig. 6: Profile differierender Leistungsdichteverteilungen;

In der Figur 1 sind zwei Kompressorschaufeln 1 aus der ersten Kompressorstufe eines Flugzeugtriebwerkes, sog. Fan Blades, schematisch dargestellt. Die zwei Kompressorschaufeln 1 sind übereinander angeordnet, wobei der Luftstrom 3 im Betrieb von der rechten Seite einströmt. Die Kompressorschaufeln l weisen jeweils eine obere Saugseite 18 und eine untere Druckseite 19 sowie eine dem Luftstrom 3 zugewandte Eintrittskante 2, auch Leading Edge genannt, auf. Die Länge von der Eintrittskante 2 der Kompressorschaufel 1 bis zur Austrittskante der Kompressorschaufel 1 ist die Sehnenlänge 25 oder auch , chord length' der Kompressorschaufel . Die obere Kompressorschaufel 1 ist im Bereich der Eintrittskante 2 durch Erosion beschädigt und verkürzt, die untere Kompressorschaufel 1 ist durch das erfindungsgemäße Reparaturverfahren repariert worden und weist diese Beschädigung nicht mehr auf. In der Fig. 2 ist die Eintrittskante 2 vergrößert dargestellt . Dabei ist ihr Zustand vor der erfindungsgemäßen Reparatur als Erosionskontur 4 zu erkennen. Die Erosionskontur 4 ist in der Regel näherungsweise planar und weist eine Stirnfläche 17 auf. Die Erosionskontur 4 ist hier vereinfacht als planare Fläche dargestellt, in der Regel weisen Erosionskonturen jedoch sehr hohe Rauhigkeiten auf und die Stirnfläche 17 ist demnach uneben und rau. Der Zustand der Eintrittskante 2 nach der Reparatur ist als Neukontur 5 dargestellt. Im Zuge des Verfahrens wird ein gewisses Volumen der erodierten Eintrittskante 2 gezielt aufgeschmolzen und erkaltet zu einer aerodynamisch vorteilhafteren Gestalt. Dieser Übergang von der Erosionskontur 4 zu der Neukontur 5 ist hier durch eine Umverteilung des vorhandenen Materials verwirklicht. Es wird weder Material abgetragen noch hinzugefügt. Das wiedererstarrte Material 6 ist der vordere Bereich der Eintrittskante 2, der aus einer Schmelze 16 hervorgegangen ist, und hinter dem sich der Bereich mit dem ungeschmolzenen Material 7 befindet. In der Fig. 2 wird besonders deutlich, wie die Umverteilung des Materials der Eintrittskante 2 zu einer verbesserten aerodynamischen Geometrie führt . Es wird auch deutlich, dass sogar eine Verlängerung der Sehnenlänge 25 der Kompressorschaufel 1 erreicht werden kann. Durch die größere Sehnenlänge ist die reparierte Kompressorschaufel 1 aerodynamisch besser als eine Kompressorschaufel, die nach einem bekannten Verfahren repariert wurde, und sie weist außerdem eine höhere Lebensdauer auf, da die kritische Sehnenlänge, bei der ein Reparieren nicht mehr möglich ist, erst nach einer wesentlich höheren Anzahl von Rekonturierungsverfahren erreicht wird. Die Verfahrensabläufe sind in den Figuren 3 und 4 genauer dargestellt.

In der Figur 3 sind die Verfahrensabläufe einer ersten Reparatur dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Reparatur die vier dargestellten Teilschritte A, B, C und D. Im Schritt A ist eine zu reparierende Eintrittskante 2 mit einer Erosionskontur 4 dargestellt. Ein Energiestrahl 8 ist auf die obere Hälfte der Eintrittskante 2 gerichtet, wobei der Energiestrahl 8 senkrecht zur Stirnfläche 17 der Eintrittskante 2 ausgerichtet ist . Durch den Energiestrahl 8 wird ein Teilbereich der Eintrittskante 2 aufgeschmolzen. Um eventuell reflektierte Strahlung des Energiestrahls 8 zu absorbieren, ist ein Strahlenfang 10 im hinteren Bereich der Eintrittskante 2 angeordnet. Der darauf folgende dargestellte Teilschritt B zeigt die Eintrittskante 2 nachdem das Material wieder erstarrt ist. In diesem Zwischenschritt weist die Eintrittskante 2 eine Übergangskontur 9 auf. Im Teilschritt C wird der Energiestrahl 8 auf den unteren Teil der Eintrittskante 2 gerichtet, wobei wie im Teilschritt A ein Strahlenfang 10 zur Strahlenabsorption von reflektierter Strahlung vorgesehen ist.

Durch den Energiestrahl 8 wird wie im Schritt A Material der Eintrittskante 8 gezielt aufgeschmolzen, um unter Ausnutzung der Oberflächenspannung der Materialschmelze eine Verrundung der Eintrittskante 2 zu erzeugen. Die auf diese Weise reparierte Eintrittskante 2 ist in Teilschritt D dargestellt, sie weist eine angestrebte aerodynamisch vorteilhafte Neukontur 5 auf .

In der Figur 4 sind die Verfahrensabläufe einer zweiten Reparatur dargestellt. Ähnlich der Verfahrensschritte in der Figur 3 ist in dem Teilschritt A eine Eintrittskante 2 einer Kompressorschaufel 1 dargestellt. Die Oberseite der Eintrittskante 2 ist Teil der Saugseite 18 der Kompressorschaufel 1. Die Eintrittskante 2 weist in ihrem vorderen Bereich eine Erosionskontur 4 auf. Ein Energiestrahl 8 ist in einem Winkel α zur Saugseite 18 auf die Eintrittskante 2 gerichtet. Vorzugsweise beträgt der Winkel α dabei 5 bis 135°. Durch den Energiestrahl 8 wird ein Teilbereich der Eintrittskante aufgeschmolzen und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung der Materialschmelze verrundet. Der Teilschritt B zeigt die durch Teilschritt A erzeugte Eintrittskante 2, die eine Übergangskontur 9 aufweist. In Teilschritt C ist dargestellt, wie auf die Eintrittskante 2 aus Teilschritt B ein Energiestrahl 8 gerichtet wird. Der Energiestrahl 8 ist dabei in einem Winkel α zur Unterseite der Eintrittskante 2 angeordnet, wobei die Unterseite Teil der Druckseite 19 der Kompressorschaufel 1 ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel α dabei 5 bis 135°. Das Ergebnis aus Teilschritt C ist in Teilschritt D dargestellt, welcher die auf diese Weise reparierte Eintrittskante 2 mit aerodynamisch optimierter Neukontur 5 aufweist. Durch das Ausrichten des Energiestrahls 8 in einem Winkel α zur Saug- bzw. Druckseite der Kompressorschaufel 1 wird die erzeugte Materialschmelze bevorzugt zur Vorderseite der Eintrittskante 2 getrieben. Verdeutlicht wird dieses gezielte Führen des Schmelzbades in der Figur 5.

Figur 5 zeigt die Materialströmungen der erzeugten Schmelze 16. Ein Energiestrahl 8 ist auf einen Bereich einer Eintritts- kante 2 einer Kompressorschaufel 1 gerichtet. Der Energiestrahl 8 weist dabei ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf . Dieses Energieprofil hat zur Folge, dass das Leistungsmaximum 14 im Zentrum der Gaußform liegt und am Rand des Intensitätsprofils Leistungsminima 11 vorliegen. Unter dem Energiestrahl 8 ist das durch den Energiestrahl 8 aufgeschmolzene Material, die Schmelze 16 dargestellt. Unter der Schmelze 16 befindet sich ungeschmolzenes Material 7. Das Temperaturmaximum 12 der Schmelze 16 ist im Bereich des Leistungsmaximums 14 des Energiestrahls. Die Temperaturminima 11 der Schmelze 16 sind im Bereich des Übergangs zwischen Schmelze 16 und ungeschmolzenem Material 7. Die Strömungsrichtung 15 der Schmelze 16 erfolgt achsensymmetrisch zur Mittelachse des Energiestrahls 8. Die schnellen Schmelzbadströmungen folgen an der Schmelzbadoberfläche dem Temperaturverlauf vom Temperaturmaximum 12 in der Mitte des Schmelzbades zu den Temperaturminima 11 in den Randbereichen des Schmelzbades und transportieren so die eingekoppelte Energie vornehmlich zu den Randbereichen, wo die Energie zum Überschreiten der Schmelztemperatur bzw. zum Aufbrechen der Bindungsenergie des Kristallverbundes zur Verfügung steht. Auf dem Rückweg entlang dem Schmelzbadgrund steht diese Energie nicht mehr oder in verminderter Menge zur Verfügung.

Die Strömungsprozesse bei Metallschmelzen werden vom Oberflächenspannungsgradienten beeinflusst. Der Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung γ, Temperatur T und Spannungsgradienten (dy/dT) ist wie folgt: γ = γο + dy/dT · T

Die temperaturabhängige Oberflächenspannung γ hat bei der Schmelztemperatur eines Materials einen Oberflächenspannungs- wert γο. Mit steigender Temperatur T verändert sich diese Oberflächenspannung γ um den Spannungsgradienten (dy/dT) . Je höher der Gradient, desto größer sind die Strömungen zum Ausgleich des Spannungsgradienten. Bei reinen Metallen ist der Spannungsgradient negativ. Hieraus folgt, dass diese Metallschmelzen mit steigender Temperatur T eine Verringerung der Oberflächenspannung aufweisen. Dieser Effekt wird eingesetzt, um durch Temperatursteuerung der Oberfläche den gewünschten Ver- rundungsradius zu erzielen. Zur Temperatursteuerung werden die Verfahrgeschwindigkeit , die Höhe des Energieeintrags und die Leistungsdichteverteilung der Energie auf der Oberfläche eingesetzt .

Die über den Energiestrahl 8 eingebrachte Energie wird in Form von Bewegungs- und thermischer Energie im Schmelzbad verteilt. Beispielsweise dominiert bei einer Titanschmelze die Strömung in der Richtung, in der sich das Schmelzbad ausdehnt. Diese thermisch-physikalischen Wechselwirkungen werden eingesetzt, um die Eintrittskante 2 in idealer Weise so aufzuschmelzen, dass ein tangentialer Einlauf der Schmelzenoberflächen zur Saug- und Druckseite 18,19 erreicht wird. Das Material wird zur Eintrittskante 2 getrieben und erstarrt in aerodynamisch vorteilhafter Geometrie. Die Verrundungsradien werden dabei über die Länge der Kompressorschaufel 1, insbesondere bei dem Rekonturieren von Fan Blades, entsprechend den Strömungsanforderungen ausgeführt . Dazu werden die Verrundungsradien in Achsnähe höher und am Ende (Tip) kleiner ausgeführt. Dabei spielt die Leistungsdichteverteilung des Energiestrahls 8 eine signifikante Rolle. In der Figur 6 sind verschiedene solcher Leistungsdichteverteilungen dargestellt .

Gute Ergebnisse werden mit achssymmetrischer Strahlung er- zielt, bei der die Leistungsdichteverteilung, also die Geometrie der Strahleinwirkflächen auf der Schmelzbadoberfläche, näherungsweise einer Ellipse 22 ähneln. Aber auch andere Leistungsdichteverteilungen, wie Kreise 20, Ringe 21, Striche 24 oder speziell angepasste Leistungsdichteverteilungen 23 können in besonderen Fällen vorteilhaft sein. Durch diese Strahlprofile wird gezielt der Schmelzenstrom, und somit auch das Aufschmelzen von Werkstoff erreicht, so dass besonders der Kantenbereich und das gesamte Volumen unterhalb der angeschmolzenen Oberfläche aufgeschmolzen wird. Dabei ist der Laser vorzugsweise als Scheibenlaser, Diodenlaser, Nd: YAG-Laser, CO2- Laser (Gaslaser) und/oder Faserlaser ausgeführt und weist eine Leistung von 200 bis 2000 W auf. Dabei ist es von Wichtigkeit, unter welchem Vorschub die Laserleistung in die Turbinenschaufel eingekoppelt wird. Als vorteilhaft haben sich dabei die folgenden Parametereinstellungen erwiesen: 300 W bei 500 mm/min, 600 W bei 1 m/min oder 1,1 kW bei 2 m/min. Es können zur Unterstützung auch reaktive Prozessgase, wie bspw. Stickstoff, eingesetzt werden. Der Schmelzprozess wird jedoch vorzugsweise unter inerter Prozessgasatmosphäre durchgeführt .

Durch das beschriebene Verfahren kann nicht nur eine Spanoder Staubentwicklung vermieden werden, es ist des Weiteren kein Festsetzen oder Neuwuchten des Motors notwendig. Auch findet keine Sehnenverkürzung statt, sondern es kann sogar erodierte Sehnenlänge zum Teil wieder aufgebaut werden. Zusätzlich kann das Verfahren ,οη-wing' eingesetzt werden, um bspw. Fan Blades ohne Materialverlust zu rekonturieren und bietet so ein außerordentlich fortschrittliches und wirtschaftliches Reparaturverfahren für Kompressor- und Turbinenschaufeln. Sowohl durch den Vorschub des Energiestrahls 8 als auch durch eine Steuerung der Energiedichte oder Energieverteilung des Energiestrahls 8 kann die Temperatur in dem Schmelzbad so gesteuert werden, dass sich nach dem Erstarren des Schmelzbades die gewünschte Neukontur 5 ergibt .

Bezugszeichenliste :

1 Kompressorschaufei

2 Eintrittskante

3 Luftstrom

4 Erosionskontur

5 Neukontur

6 Wiedererstarrtes Material

7 Ungeschmolzenes Material

8 Energiestrahl

9 Übergangskontur

10 Strahlenfang

11 Temperaturminimum

12 Temperaturmaximum

13 Leistungsminimum

14 Leistungsmaximum

15 Strömungsrichtung

16 Schmelze

17 Stirnfläche

18 Saugseite

19 Druckseite

20 Kreis

21 Ring

22 Ellipse

23 speziell angepasste Leistungsdichteverteilungen

24 Strich

25 Sehnenlänge

Claims

1. Verfahren zum Rekonturieren einer Kompressor- oder Turbinenschaufel (1) für eine Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante (2) der Kompressor- oder Turbinenschaufel (1) mindestens in einem Teilbereich durch einen Energiestrahl (8) derart gezielt aufgeschmolzen wird, dass der Werkstoff im Wesentlichen ohne Zugabe von zusätzlichem Werkstoff zu einer Neukontur (5) erstarrt .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstoff im Wesentlichen ohne Zugabe von zusätzlichem Werkstoff zu einer vorgegebenen Neukontur (5) erstarrt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante (2) durch das Aufschmelzen verrundet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Teilbereich eingebrachte Energie des Energiestrahls derart gesteuert wird, dass unterschiedliche Verrundungsradien realisiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante (2) durch mehrfaches Aufschmelzen, vorzugsweise höchstens sechsfaches Aufschmelzen, zu der Neukontur (5) rekonturiert wird .

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufschmelzen Verrun- dungsradien von 0.1 bis 10 mm erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den von dem Energiestrahl (8) aufgeschmolzenen Bereich sehr kleine Mengen von Zusatzstoffen eingebracht werden.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reparatur der Turbinenschaufel , on wing' erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (8) in einer Richtung senkrecht zur Stirnfläche (17) der Erosionskontur (4) in die Eintrittskant^'e (2) ausgerichtet ist.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (8) in einem Winkel von 5 bis 135° zur Saugseite (18) und/oder Druckseite (19) der Kompressor- oder Turbinenschaufel (1) ausgerichtet ist .

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehnenlänge der Kompressoroder Turbinenschaufel (1) durch das Verfahren um 0,1 mm bis 5 mm verlängert wird.

12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (8) als Laserstrahl ausgeführt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl als Scheibenlaser, Diodenlaser, Nd : YAG- Laser, C02-Laser und/oder Faserlaser ausgeführt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung 200 bis 2000 W beträgt.