ES2256413T3 - Tecnicas de fabricacion y de reparacion de alabe de rotor de paletas integradas. - Google Patents

Tecnicas de fabricacion y de reparacion de alabe de rotor de paletas integradas.

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ES2256413T3 ES02252727T ES02252727T ES2256413T3 ES 2256413 T3 ES2256413 T3 ES 2256413T3 ES 02252727 T ES02252727 T ES 02252727T ES 02252727 T ES02252727 T ES 02252727T ES 2256413 T3 ES2256413 T3 ES 2256413T3
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Abstract

Un dispositivo para efectuar un tratamiento térmico localizado de álabes de rotores de paletas integradas, que comprende: una camisa (22) que se ha de colocar sobre dicho álabe (14); una pluralidad de elementos calefactores (24) dispuestos en dicha camisa; caracterizado porque dicha pluralidad de elementos calefactores están tejidos en dicha camisa, comprendiendo además, dicho dispositivo, un material que impide el calentamiento involuntario de álabes adyacentes tejidos en dicha camisa, e hilos (28) de termopares tejidos en dicha camisa para controlar el calentamiento de dicho álabe durante un tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Description

Técnicas de fabricación y de reparación de álabe de rotor de paletas integradas.
La presente invención se refiere a un método para fabricar/reparar un rotor de paletas integradas, y a un nuevo dispositivo local encapsulado, de calentamiento de álabes.
El creciente uso de equipos con rotores de paletas integradas en grandes motores de turbinas de gas de altas prestaciones está guiado por la demanda de mejoras en el comportamiento y el rendimiento. En los rotores convencionales, los álabes giratorios son retenidos por ranuras en forma de cola de milano insertadas en el reborde de un disco. En un rotor de paletas integradas, los álabes y el disco forman una pieza continua de metal. El ahorro de peso y combustible aportado por los rotores de paletas integradas resulta de su capacidad para retener los álabes giratorios con menos masa de disco de la que sería necesaria en un rotor diseñado convencionalmente. Además, la reducida masa del disco, de un disco de rotor de paletas integradas, permite la reducción de peso en otros componentes que actúan sobre los rotores u obtienen una reacción de los mismos, es decir, ejes, cubos y cojinetes.
En el pasado, una desventaja importante asociada con el uso de rotores de paletas integradas en grandes motores de turbinas de gas ha sido la carencia de un método fiable para reparar álabes de rotores de paletas integradas que se han estropeado más allá de límites enmendables. Como los álabes forman parte integrante del disco, los daños a álabes más allá de límites enmendables requieren la extracción de todo el rotor en servicio y la sustitución con un nuevo rotor de paletas integradas, con un gasto significativo.
Otros problemas asociados con rotores de paletas integradas se refieren al método de fabricación empleado para fabricarlos. Los rotores pueden ser mecanizados a partir de una sola pieza grande de forja; sin embargo, esta solución no es deseable. Una pieza grande de forja, por ejemplo, un lingote grande, tiene menor posibilidad de propiedades y una cantidad significativa del material de partida, que puede ser muy cara dependiendo del material, se pierde en la mecanización. También, la pieza tiene el riesgo de ser desechada debido a inevitables errores de mecanización durante la fabricación. Otra solución para fabricar rotores de paletas integradas es unir a un rotor álabes forjados separadamente, mediante un proceso de pegamiento.
Una aleación de titanio que consta esencialmente del 6,0% en peso de aluminio, 2,0% en peso de estaño, 4,0% en peso de circonio, 6,0% en peso de molibdeno y el resto esencialmente de titanio, es una aleación deseable para rotores de paletas integradas debido a su gran tenacidad, su resistencia a la tracción y la fatiga, y su buena facilidad de soldadura. Sin embargo, es una aleación difícil de procesar después de la soldadura debido a la naturaleza de la microestructura de la zona de soldadura, que es una martensita ortorrómbica. En primer lugar, la soldadura por frotamiento del fabricante original debe ser tratada térmicamente después de la soldadura para estabilizar la microestructura y eliminar esfuerzos. En segundo lugar, el rotor de paletas integradas debe ser capaz de soportar las subsiguientes reparaciones de soldaduras de mantenimiento debido a daños por objetos extraños. Aunque las propiedades de la soldadura pueden ser restauradas con una solución completa, más un tratamiento térmico de envejecimiento posterior a la soldadura, es impracticable realizar esta operación debido a una posible distorsión del álabe y contaminación superficial, especialmente para soldaduras no originales. El usual tratamiento térmico posterior a la soldadura, de 593ºC (1100ºF) durante 2-6 horas, da lugar a una zona de soldadura muy dura, con baja resistencia al impacto, comparada con el metal base, e inadecuada capacidad de propagación de grietas por fatiga. El tratamiento térmico posterior a la soldadura se podría elevar a una temperatura media de 704ºC (1300ºF) durante dos horas para restaurar las propiedades aceptables al impacto y la tenacidad de la zona de soldadura; sin embargo, este tratamiento da lugar a una pérdida del 4-6% de la resistencia a la tracción sobre la condición básica. Dicha pérdida es inaceptable para muchas piezas sometidas a grandes
esfuerzos.
El documento EP-A-0525975 describe un aparato para tratamiento térmico y reparación de paletas de turbinas, que comprende piezas de soporte que llevan elementos calefactores, y una ranura que permite al aparato deslizarse sobre el borde de ataque de la paleta en la posición de la paleta.
El documento US-A-4611744 describe un método para reparar paletas de turbinas, que incluye las etapas de suprimir por mecanización una parte dañada, reemplazar el material extraído mediante un proceso de soldadura, encapsular la paleta con materiales calefactores y tratar térmicamente la paleta para eliminar o reducir los esfuerzos presentes debidos al proceso de soldadura.
El documento US-A-4934583 describe un método para reparar o fabricar un artículo tal como un disco con paletas, que comprende las etapas de proporcionar una sección saliente en un cubo, y soldar un álabe en el saliente.
Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar un método mejorado para fabricar y/o reparar rotores de paletas integradas.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método que permita el uso de un tratamiento térmico de temperatura elevada posterior a la soldadura, mientras se mantiene una elevada resistencia a la tracción y a la fatiga.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un nuevo dispositivo local encapsulado, de calentamiento de álabe, para efectuar dicho tratamiento térmico de temperatura elevada posterior a la soldadura.
Vista desde un primer aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo para efectuar un tratamiento térmico localizado de álabes de rotores de paletas integradas, que comprende:
una camisa que se ha de colocar sobre dicho álabe;
una pluralidad de elementos calefactores dispuestos en dicha camisa;
caracterizado porque dicha pluralidad de elementos calefactores están tejidos en dicha camisa, comprendiendo además, dicho dispositivo, un material que impide el calentamiento involuntario de álabes adyacentes tejidos en dicha camisa, e hilos de termopares tejidos en dicha camisa para controlar el calentamiento de dicho álabe durante un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Vista desde un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para reparar un álabe de rotor de paletas integradas, que comprende las etapas de:
suprimir por mecanización una parte dañada de dicho álabe de rotor de paletas integradas;
soldar una sección de álabe en buen estado a una parte restante de dicho álabe de rotor de paletas integradas;
colocar un dispositivo como el descrito anteriormente, sobre dicho álabe en buen estado y una unión soldada entre dicho álabe en buen estado, y dicha parte restante; y
tratar térmicamente dicho álabe en buen estado y dicha unión soldada, usando dicho dispositivo calefactor para reducir esfuerzos residuales y restaurar la microestructura y las propiedades mecánicas de la unión soldada y el metal adyacente.
Ahora se explicarán con mayor detalle ciertas realizaciones preferidas de la presente invención, solamente a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
la Figura 1 es una representación esquemática de un rotor de paletas integradas que tiene un álabe soldado a una sección de cubo;
la Figura 2 es una representación esquemática de un dispositivo local encapsulado, de calentamiento de álabes, según la presente invención;
la Figura 3 es una representación esquemática del dispositivo calefactor de la Figura 2, situado sobre un álabe y la unión soldada; y
las Figuras 4 y 5 son gráficos que ilustran las mejoras obtenidas usando el método de fabricación/re-
paración de la presente invención.
Refiriéndonos ahora a los dibujos, la Figura 1 ilustra un rotor 10 de paletas integradas, que tiene una sección de cubo 12 y un álabe 14 soldado a la sección de cubo a lo largo de una unión soldada 16, y secciones 15 de álabes soldadas a partes 11 de álabes en buen estado a lo largo de líneas de soldadura 16'. La Figura 1 también muestra ciertos álabes 11 que tienen partes de puntas dañadas 19, que requieren reparación. La sección de cubo 12, los álabes 14 y las secciones 15 de álabes se pueden formar usando cualquier técnica adecuada conocida en la técnica. La sección de cubo 12, cada uno de los álabes 11, 14 y 17, y las secciones 15 de álabes pueden estar hechos de una aleación a base de titanio. Aleaciones adecuadas a base de titanio incluyen una aleación a base de titanio que consta, esencialmente, de 6,0% en peso de aluminio, 2,0% en peso de estaño, 4,0% en peso de circonio, 6,0% en peso de molibdeno, y el resto esencialmente de titanio (TI-6246); una aleación a base de titanio que consta, esencialmente, de 6,0% en peso de aluminio, 2,0% en peso de estaño, 4,0% en peso de circonio, 2,0% en peso de molibdeno, y el resto esencialmente de titanio (TI-6242); y una aleación a base de titanio que consta, esencialmente, de 6,0% en peso de aluminio, 4,0% en peso de vanadio, y el resto esencialmente de titanio (TI-64). Aunque se prefieren aleaciones de titanio, los métodos descritos en este documento se podrían usar con secciones de cubos, álabes y secciones de álabes hechos de aleaciones a base de níquel tales como Inco 718. La sección de cubo 12, los álabes 11, 14 y 17, y/o las secciones 15 de álabes pueden estar hechos de la misma aleación o de aleaciones diferentes.
La unión soldada 16 se puede hacer usando cualquier técnica adecuada de soldadura conocida en la técnica. Por ejemplo, cada álabe 14 se podría soldar a la sección de cubo 12 usando una técnica de soldadura por frotamiento tal como una soldadura por frotamiento del fabricante original.
Antes de la soldadura, la sección de cubo 12 y cada álabe 14 deben ser tratados con una solución y templados en aceite. Por ejemplo, si la sección de cubo 12 y/o el álabe 14 están hechos de una aleación de titanio TI 6246, se efectúan el tratamiento con una solución y el templado en aceite. El tratamiento con una solución y el tratamiento de templado en aceite se pueden efectuar calentando primero la sección de cubo 12 y el álabe 14 a una temperatura que varía de alrededor de 882ºC (1620ºF) hasta alrededor de 902ºC (1655ºF), durante un tiempo que varía de alrededor de 1 hora a 4 horas. El tratamiento con una solución y el templado en aceite se pueden llevar a cabo en un horno eléctrico con una atmósfera de aire o argón. La sección de cubo 12 y/o el álabe 14 pueden estar en un bastidor o accesorio adecuado para la transferencia a un depósito de aceite (no mostrado) de una manera oportuna con retardo mínimo. Alternativamente, se puede usar un horno de vacío con posibilidad de templado en aceite, para efectuar el tratamiento con solución. Después que se ha completado la etapa de templado en aceite, la sección de cubo 12 y el(los)
álabes(s) 14 se pueden someter a un tratamiento de envejecimiento parcial a una temperatura que varía de alrededor de 579ºC (1075ºF) hasta alrededor de 607ºC (1125ºF), durante un tiempo que varía de alrededor de 2 horas hasta alrededor de 8 horas. El tratamiento de envejecimiento parcial se puede lleva a cabo usando cualquier horno adecuado conocido en la técnica, que tenga cualquier atmósfera apropiada. Después del envejecimiento parcial, la sección de cubo 12 y el(los) álabe(s) 14 se pueden enfriar a un ritmo de alrededor de 4ºC a 38ºC (40-100ºF) por minuto.
Como se mencionó anteriormente, para fabricar un rotor 10 de paletas integradas, cada álabe 14 se suelda a la sección de cubo 12. Después de completada la soldadura, la sección de cubo 12 y la unión soldada 16 entre el álabe 14 y la sección de cubo 12 son sometidas a un tratamiento de sobreenvejecimiento posterior a la soldadura, durante el cual, la unión soldada 16 es calentada a una temperatura que varía de 691ºC a 718ºC (1275-1325ºF) en una atmósfera de gas inerte, durante un periodo de tiempo que varía de 1 a 4 horas. Después del tratamiento térmico posterior a la soldadura, el álabe 14 y la unión soldada 16 son enfriados a un ritmo de alrededor de 4ºC hasta alrededor de 38ºC (40-100ºF) por minuto.
Según la presente invención, el tratamiento térmico posterior a la soldadura se lleva a cabo, preferiblemente, usando un nuevo dispositivo local encapsulado 20, de calentamiento de álabes, tal como el mostrado en la Figura 2. El dispositivo calefactor 20 comprende una camisa o una manga 22 hecha de un material cerámico aislante, tal como una tela de aluminoborosilicato para altas temperaturas. La camisa o manga 22 tiene un propósito doble. Primero, concentra el calor generado por el dispositivo 20 en la superficie del álabe y permite que la unión soldada 16 y la zona circundante afectada por el calor alcancen la temperatura deseada del tratamiento térmico posterior a la soldadura y se estabilicen en ella. Segundo, la camisa 22 impide el calentamiento involuntario de álabes adyacentes.
El dispositivo 20 tiene una pluralidad de elementos radiantes 24 calentados por resistencias, tejidos en la tela de la camisa 22. Los elementos calefactores 24 comprenden, preferiblemente, hilos calefactores de gran densidad de potencia eléctrica. Los elementos calefactores 24 sirven para radiar calor directamente sobre la superficie del álabe. Los elementos calefactores 24 pueden estar dispuestos en zonas de elementos calefactores controladas individualmente. Por ejemplo, el dispositivo 20 podría tener cuatro zonas de elementos calefactores controladas individualmente.
Una lámina de titanio 26 para la adsorción de residuos gaseosos, en forma de hoja, también está tejida en la tela de la camisa 22 para impedir la contaminación atmosférica local y para permitir más posibilidad de control de temperatura en el dispositivo calefactor 20 dividido en zonas.
El dispositivo 20 también incluye una pluralidad de hilos 28 de termopares sin contacto, tejidos en la tela de la camisa 22. Los hilos 28 de termopares se usan para permitir un control preciso de temperatura durante el ciclo de tratamiento térmico posterior a la soldadura. Un transformador variable 30 está conectado a los elementos calefactores 24, en cada zona de calentamiento, y suministra potencia eléctrica a los elementos calefactores. El transformador 30 se puede usar para hacer variar la corriente suministrada a los elementos calefactores 24 en cada zona de temperatura, como una función de la temperatura detectada por los hilos 28 de termopares.
El dispositivo 20 se usa como se muestra en la Figura 3, colocando el dispositivo 20 sobre el álabe 14 y la unión soldada 16. Después, se suministra potencia eléctrica a los elementos calefactores radiantes 24, de modo que el calor sea aplicado a la unión soldada 16 en el antedicho tratamiento térmico posterior a la soldadura. El suministro de potencia continúa durante un tiempo en el margen de tiempos del antedicho tratamiento térmico posterior a la soldadura.
El mismo método básico usado para fabricar un rotor 10 de paletas integradas se puede usar para restaurar un rotor de paletas integradas estropeado. Para reparar un rotor de paletas integradas, se suprime primero por mecanización una parte dañada 19 de un álabe 11 de rotor, usando cualquier técnica apropiada de mecanización conocida en la técnica. Después, se suelda una sección 15 de álabe en buen estado a la parte restante 11 de álabe, del álabe de rotor de paletas integradas. Cualquier técnica apropiada de soldadura conocida en la técnica, tal como una técnica de soldadura por frotamiento, se puede usar para soldar la sección 15 de álabe a la parte 11. La sección 15 de álabe en buen estado puede ser de cualquiera de las aleaciones de titanio mencionadas anteriormente, o de una aleación de níquel.
Después, el dispositivo calefactor 20 se coloca sobre el álabe 15 en buen estado y la unión soldada 16', y se le suministra energía para efectuar el antedicho tratamiento térmico posterior a la soldadura, a una temperatura que varía de 691ºC a 718ºC (1275-1325ºF), durante un tiempo que varía de 1 a 4 horas en un ambiente de gas inerte. Después del tratamiento térmico posterior a la soldadura, el álabe 15 en buen estado y la unión soldada 16' son enfriados a un ritmo de alrededor de 4ºC hasta alrededor de 38ºC (40-100ºF) por minuto.
Después del tratamiento térmico posterior a la soldadura, la sección 15 de álabe en buen estado se mecaniza para obtener la geometría requerida.
El dispositivo calefactor 20 de la presente invención es ventajoso porque proporciona un calentamiento local enfocado, de modo que los álabes adyacentes y el cubo del disco del rotor de paletas integradas se mantienen muy por debajo de temperaturas que podrían dar como resultado una pérdida de resistencia y/o una distorsión dimensional. Al mismo tiempo, el dispositivo calefactor 20 proporciona la temperatura requerida y la duración de tiempo requerida para la relajación de esfuerzos posterior a la soldadura de un material de álabe de superaleación.
Refiriéndonos ahora a las Figuras 4 y 5, los gráficos ilustran cómo el método de la presente invención elimina la pérdida de resistencia del metal base (P/M = Parent Metal) y la tenacidad de la aleación se adapta a la línea de base. Como se muestra en la Figura 4, la carga máxima a la tracción, el límite de elasticidad y las propiedades de alargamiento de una aleación de Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, de la cual puede estar hecho un rotor de paletas integradas, y que ha sido sometido a un tratamiento con solución, un templado en aceite, un envejecimiento parcial a 593ºC (1100ºF) y un sobreenvejecimiento a 704ºC (1300ºF) (aleación número 1), son mejores comparadas con la misma aleación que haya sido tratada con solución, enfriada con aire y envejecida a 593ºC (1100ºF) (aleación número 2), y con la misma aleación que haya sido tratada con solución, enfriada con aire y envejecida a 704ºC (1300ºF) (aleación número 3). La Figura 5 ilustra el efecto del método de la presente invención en la resistencia a impactos de Charpy de una aleación de Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo usada para la sección de disco de un rotor de paletas integradas.
Aunque se ha descrito el dispositivo calefactor 20 en el contexto de tratar rotores de paletas integradas hechos de un material a base de titanio, se puede usar para tratar rotores de paletas integradas y álabes hechos de otros materiales tales como una superaleación a base de níquel.
Es evidente que, según la invención, se han proporcionado técnicas de fabricación y reparación de álabes de rotores de paletas integradas que satisfacen totalmente los medios, objetos y ventajas expuestos anteriormente. Aunque la presente invención se ha descrito en el contexto de realizaciones específicas de la misma, otras alternativas, modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos en la técnica que hayan leído la descripción anterior. Por lo tanto, se pretende abarcar tales alternativas, modificaciones y variaciones que caigan dentro del amplio ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

1. Un dispositivo para efectuar un tratamiento térmico localizado de álabes de rotores de paletas integradas, que comprende:
una camisa (22) que se ha de colocar sobre dicho álabe (14);
una pluralidad de elementos calefactores (24) dispuestos en dicha camisa;
caracterizado porque dicha pluralidad de elementos calefactores están tejidos en dicha camisa, comprendiendo además, dicho dispositivo, un material que impide el calentamiento involuntario de álabes adyacentes tejidos en dicha camisa, e hilos (28) de termopares tejidos en dicha camisa para controlar el calentamiento de dicho álabe durante un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
2. Un dispositivo según la reivindicación 1, en el que dicho material es un material de titanio en forma de lámina para la adsorción de residuos gaseosos.
3. Un dispositivo según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que dicha camisa (22) está hecha de un material cerámico aislante o una tela de aluminoborosilicato para altas temperaturas, y en el que dichos elementos calefactores (24) son hilos calefactores de gran densidad de potencia eléctrica, y dicha camisa sirve para concentrar el calor generado por dichos elementos calefactores en una superficie de dicho álabe y para permitir que una unión soldada (16) entre dicho álabe y un cubo (12), y una zona afectada por el calor, alcancen la temperatura de tratamiento térmico posterior a la soldadura y se estabilicen en ella.
4. Un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende, también, un transformador variable (30) conectado a dichos elementos calefactores (24) para hacer variar la potencia eléctrica suministrada a dichos elementos calefactores y el perfil de temperatura del álabe.
5. Un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha camisa (22) encapsula el álabe (14) del rotor.
6. Un método para reparar un álabe de rotor de paletas integradas, que comprende las etapas de:
suprimir por mecanización una parte dañada (19) de dicho álabe (14) de rotor de paletas integradas;
soldar una sección (15) de álabe en buen estado a una parte restante de dicho álabe de rotor de paletas integradas;
colocar un dispositivo (20), como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, sobre dicho álabe en buen estado y una unión soldada (16) entre dicho álabe en buen estado y dicha parte restante; y
tratar térmicamente dicho álabe en buen estado y dicha unión soldada, usando dicho dispositivo calefactor para reducir esfuerzos residuales y restaurar la microestructura y las propiedades mecánicas de la unión soldada y el metal adyacente.
7. Un método según la reivindicación 6, que comprende, también, mecanizar una superficie de dicha sección (15) de álabe en buen estado para obtener la geometría requerida, y dicha etapa de tratamiento térmico se efectúa en una atmósfera inerte.
8. Un método según las reivindicaciones 6 ó 7, en el que dicha etapa de soldadura comprende soldar una sección (15) de álabe en buen estado, hecha de una aleación a base de titanio, a dicha parte restante de dicho álabe de rotor de paletas integradas.
9. Un método según las reivindicaciones 6, 7 u 8, en el que dicha etapa de tratamiento térmico comprende envejecer dicha sección de álabe a una temperatura que varía de 691ºC a 718ºC (1275-1325ºF) durante un periodo de tiempo que varía de 1 hora a 4 horas, y enfriar dicha sección de álabe envejecida, a un ritmo de 4ºC a 38ºC (40-100ºF) por minuto.
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