ES2375196T3

ES2375196T3 - Método para reemplazar aleta aerodinámica dañada.

Info

Publication number: ES2375196T3
Application number: ES05252867T
Authority: ES
Inventors: Martin Rawson; Andrew Timothy Webster
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2012-02-27
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: ATE539837T1; EP1604770A2; US8006380B2; EP1604770B1; US20050274010A1; GB0412775D0; EP1604770A3; JP4707465B2; JP2005351272A

Abstract

Un método para reemplazar un álabe dañado (12A) de un conjunto (10) de rotor con álabes integrados que incluye un disco (14) y una pluralidad de álabes (12) que se extienden hacia fuera desde el disco (12), incluyendo el método los pasos de: retirar el álabe dañado (12A) para dejar un muñón (16) de álabe que sobresale del disco (14); formar un collar metálico (22) alrededor del muñón (16) de álabe mediante deposición de un metal fundido; fijar un álabe de reemplazo (12) al muñón (16) mediante soldadura de fricción lineal y retirar el collar (22); en donde el collar metálico (22) se deposita en una posición que está separada físicamente del disco (14);

Description

Metodo para reemplazar aleta aerodinamica danada.

La invenci6n se refiere a un metodo para reemplazar un alabe danado de un conjunto de rotor con alabes integrados, particularmente para un motor de turbina de gas.

5 Los compresores y turbinas de motores de turbina de gas, tales como los utilizados en motores aeronauticos, incluyen tipicamente una pluralidad de conjuntos de paleta aerodinamicas de rotor y estator. Los conjuntos de rotor estan disenados para impartir trabajo a los gases que atraviesan el compresor y extraer trabajo de los gases que atraviesan la turbina. Los conjuntos de paleta aerodinamicas de estator ayudan a dirigir los gases de trabajo que entran o salen de los conjuntos de rotor y aumentan asi la eficiencia del motor.

10 Cada conjunto de rotor incluye un disco y una pluralidad de alabes fijados al disco con la finalidad de extenderse radialmente hacia fuera desde el mismo. Convencionalmente, los alabes se han fijado al disco mediante conexiones mecanicas tales como conexi6n de tipo "abeto", en donde una raiz de alabe en forma de abeto es recibida dentro de un rebajo conformado de manera complementaria en el disco. Esto significa que el alabe puede reemplazarse facilmente en el caso de que resulte danado.

15 Desarrollos recientes han dado como resultado conjuntos de rotor con alabes integrados o "discos de alabes", en los que los alabes se forman integralmente con el disco. Estos conjuntos tienen la ventaja de un peso reducido en comparaci6n con los conjuntos de rotor estandar y una eficiencia aerodinamica mejorada. Tales discos de alabes son aplicables particularmente en el diseno de motores aeronauticos militares.

En vista de la naturaleza de sus aplicaciones, los discos de alabes son susceptibles de danarse, por lo que en

20 ciertas circunstancias pueden requerir el reemplazo de un alabe. Con el fin de reemplazar el alabe, este debe retirarse mecanizandolo para dejar un mun6n, y soldando un nuevo alabe sobre el mun6n mediante soldadura de fricci6n lineal. Este es un proceso en el cual una parte se mantiene estacionaria mientras que la otra parte se hace oscilar contra ella bajo carga; el calore generador y las cargas aplicadas dan como resultado una soldadura a medida que el material exuda por los bordes de la junta. En la reparaci6n de discos de alabes, se hace oscilar el

25 alabe de reemplazo con relaci6n al disco estacionario, mientras que se aplica una carga en la direcci6n radial hacia el disco. Asi, el alabe se une al disco.

En el documento US 5551623 se describe un procedimiento conocido para soldar dos partes de alabe, en el que un collar o brida de material, subdividido en dos partes, se coloca alrededor de las superficies de contacto que se han de unir. Segun la patente, esto aumenta el calor producido por la fricci6n en los bordes delantero y trasero del alabe.

30 La soldadura de fricci6n lineal da como resultado el consumo de material (lo cual deja los bordes de la soldadura como una rebaba) y la recirculaci6n de contaminantes de vuelta a la soldadura durante el proceso. Esto da como resultado la necesidad de mecanizaci6n para apartar cantidades significativas de material alrededor de la soldadura. A la vista de esto, los discos de alabes se han formado convencionalmente con filetes sobredimensionados en la interfaz de disco y alabe con el fin de permitir que se mecanice un mun6n de reparaci6n con el perfil de aleta

35 aerodinamica en caso de que sea necesario que un alabe de reemplazo se fije mediante un proceso de soldadura de fricci6n lineal. Sin embargo, esto puede impedir un diseno 6ptimo y producir un peso innecesario.

Segun la invenci6n, se proporciona un metodo para reemplazar un alabe danado de un conjunto de rotor con alabes integrados que incluye un disco y una pluralidad de alabes que se extienden hacia fuera desde el disco, incluyendo el metodo los pasos de:

40 retirar el alabe danado para dejar un mun6n de alabe que sobresalga desde el disco;

formar un collar de metal alrededor del mun6n de alabe, mediante deposici6n de un metal fundido, en una posici6n que esta separada fisicamente del disco;

fijar un alabe de reemplazo al mun6n mediante soldadura de fricci6n lineal; y

retirar el collar.

45 El collar proporciona soporte al mun6n durante el proceso de soldadura de fricci6n, sin que se proporcione fijaci6n externa alguna al mun6n o al collar. Dado que el collar esta separado fisicamente del disco, ello impide danos en la superficie del disco.

El rotor puede incluir un plano de soldadura original que defina la posici6n en donde se sold6 el alabe danado al disco, y el alabe danado se retira preferiblemente de manera radial hacia fuera del plano de soldadura original.

50 Preferiblemente, el collar se deposita de tal manera que rodee el plano de soldadura original.

Preferiblemente, el collar se deposita acumulando el collar capa a capa. El collar puede ser anular, incluyendo una

abertura central a traves de la cual pasa el mun6n de alabe.

El metodo puede incluir el paso de depositar un cuerpo de material alrededor del mun6n de alabe, junto al rotor, siendo este material diferente del material del collar. Preferiblemente, el material es un polimero. Sin embargo, el material podria ser un metal de bajo punto de fusi6n o con revestimiento

El cuerpo del material puede ser anular, incluyendo una abertura central a traves de la cual pasa el mun6n de alabe.

El cuerpo de material puede depositarse antes de la deposici6n del collar.

El collar puede depositarse sobre el cuerpo de material de tal manera que emparede el cuerpo de material entre si mismo y el disco. Sin embargo, el collar puede depositarse directamente sobre el mun6n.

El proceso de soldadura de fricci6n lineal puede implicar la oscilaci6n del alabe de manera tangencial con respecto al disco.

Preferiblemente, el proceso de soldadura de fricci6n lineal se realiza de tal manera que se cree un nuevo plano de soldadura entre el alabe de reemplazo y el rotor, estando situado el nuevo plano de soldadura en sustancialmente la misma posici6n que el plano de soldadura original.

El collar puede retirarse mediante mecanizaci6n. Preferiblemente, el alabe resultante tiene sustancialmente la misma forma que el alabe original.

Se describira una realizaci6n de la invenci6n con fines unicamente ilustrativos con referencia a los dibujos anexos, en los que:

La figura 1 es una vista en perspectiva diagramatico de parte de un conjunto de rotor con alabes integrados;

La figura 2 es una vista en secci6n de un alabe de un conjunto de rotor con alabes integrados, visto mirando hacia abajo del eje de motor e ilustrando la retirada de un alabe danado;

La figura 3 es una vista similar a la de la figura 2, pero ilustrando un paso en un procedimiento segun la invenci6n;

La figura 4 es una vista similar a la de la figura 3, ilustrando un paso adicional en el procedimiento de la invenci6n; y

La figura 5 es una vista adicional similar a la de las figuras 3 y 4, ilustrando un paso adicional en el procedimiento de la invenci6n.

�aciendo referencia a la figura 1, se ilustra un parte de un conjunto 10 de rotor con alabes integrados que puede usarse en el compresor o turbina de un motor aeronautico. El conjunto 10 de rotor incluye una pluralidad de alabes 12 fijados a un disco 14 con el fin de extenderse radialmente hacia fuera desde el mismo. Los alabes 12 son tipicamente de una aleaci6n de titanio, niquel o acero (usandose comunmente una aleaci6n de titanio 6�4) y se han fijado al disco 14 mediante soldadura de fricci6n lineal. Esto implica sujetar el disco 14 de manera estacionaria mientras se hace oscilar un miembro de alabe (que comprende un alabe aun no mecanizado e inacabado) contra el disco 14 bajo carga. El miembro de alabe puede hacerse oscilar tangencial o axialmente contra el disco. El calor generado por la oscilaci6n junto con la carga radialmente hacia dentro da como resultado que el material del miembro de alabe y el disco se hagan plasticos. Cuando el material se enfria subsiguientemente volviendo a ser s6lido, se forman uniones y se crea una soldadura entre el disco 14 y el miembro de alabe. Durante el proceso de soldadura de fricci6n, se extrude material soldado ("rebaba") de los lados de la junta. El alabe se mecaniza subsiguientemente segun una forma, retirandose el material de los bordes de la soldadura.

Durante la vida del conjunto 10 de rotor, no es infrecuente que un solo alabe 12A llegue a estar significativamente danado y que requiera reemplazo. Para reemplazar el alabe 12A, se ha de fijar un nuevo alabe usando soldadura de fricci6n lineal. El alabe danado 12A se retira para dejar un mun6n 16 que sobresale del disco 14. Puede soldarse un nuevo alabe 12 sobre el mun6n 16.

La soldadura de fricci6n lineal se usa para fijar el nuevo alabe al mun6n 16. Se extruye una rebaba durante este proceso y esta debe controlarse para garantizar que fluya suavemente fuera de la soldadura sin ninguna circulaci6n de vuelta a la soldadura. El impedir tal recirculaci6n evita que se forme una microestructura pobre en la soldadura. Es tambien necesario retirar cualesquiera defectos de borde que se produzcan durante el proceso de soldadura. En consecuencia, se requiere un area superficial grande para permitir que se forme una buena soldadura y esto crea una necesidad de producir un material extra alrededor del mun6n, retirandose este material mediante mecanizaci6n despues de que el nuevo alabe se ha soldado en su sitio. De este modo, segun la tecnica anterior, el conjunto 10 de rotor se forma con unas areas de filete sobredimensionadas entre el disco 14 y los alabes 12, de tal manera que este disponible suficiente material para el proceso anterior.

�aciendo referencia a la figura 2, un alabe danado 12 se ha retirado en la posici6n indicada por la linea de puntos,

dejando un mun6n 16 que tiene un perfil de aleta aerodinamica. El alabe 12 se retira en una posici6n radialmente hacia fuera de un plano de soldadura original 1� creado cuando el alabe adicional 12 fue soldado por fricci6n al disco 14.

En una realizaci6n de la presente invenci6n, mostrada en la figura 3, un cuerpo 20 de un material se deposita alrededor de una regi6n de base del mun6n 16 de alabe. El cuerpo 20 puede comprende un material polimero, ceramico o metalico. El cuerpo 20 esta en contacto con el disco 14, y puede formar aproximadamente una figura de anillo, incluyendo una abertura central 21 para el mun6n 16. El cuerpo 20 se extiende radialmente hasta una posici6n ligeramente orientada en direcci6n radial hacia dentro del plano de soldadura original 1�.

Un collar metalico 22 se deposita posteriormente de manera radial fuera del cuerpo 20, figura 4. El collar metalico 22 es una aleaci6n de punto de fusi6n relativamente bajo, tal como una aleaci6n de bismuto. El collar 22 se deposita mediante un metodo de adici6n de material, tal como una deposici6n de metal conformado, o un metodo tal como soldadura de plasma o laser.

Sin embargo, se apreciara que el collar 22 puede depositarse antes de la deposici6n del cuerpo 20. En este caso, el collar 22 se depositaria directamente sobre el mun6n 16 de alabe en una posici6n adyacente al plano original de soldadura 1�, pero separada fisicamente del disco 14. El collar 22 tiene generalmente forma de anillo, incluyendo una abertura central 24 para el mun6n 16.

Una vez que el collar metalico 22 esta en su sitio, el perfil de mun6n deseado, segun se define en los documentos de fabricaci6n originales, se mecaniza en la combinaci6n del cuerpo 20 y el collar 22 para dejar un mun6n 16 que esta listo para soldadura de fricci6n lineal.

�aciendo referencia a la figura 5, un nuevo alabe 12� puede fijarse entonces al mun6n usando el proceso de soldadura de fricci6n lineal. La figura 5 indica las fuerzas implicadas. Una base plana radialmente interior 25 del alabe 12� se pone en contacto con una superficie plana radialmente exterior 26 del mun6n 16 de alabe. Se efectua entonces un movimiento lineal relativo entre la base 25 del alabe 12� y la superficie exterior 26 del mun6n 16. Tambien se aplica una fuerza al alabe 12� en una direcci6n radialmente hacia dentro.

El movimiento de la base 25 del alabe 12� con respecto al mun6n 16 da como resultado un calor de fricci6n en la interfaz entre los dos componentes. Esto hace que la temperatura en la interfaz se eleve hasta un valor que se aproxima, pero inferior, al punto de fusi6n del material a partir del cual se fabrica el alabe. Las dos superficies se sueldan conjuntamente, extruyendose una rebaba de soldadura de la interfaz de soldadura entre las dos superficies.

Subsiguientemente, la rebaba metalica se retira mediante mecanizaci6n. El cuerpo 20 se elimina quimica o mecanicamente (garantizando una eliminaci6n completa) y se mecaniza el perfil final del alabe 12�, retirando asi cualquier material afectado por calor alrededor de la soldadura. El alabe reparado resultante tiene sustancialmente el mismo perfil que el alabe original sin danar.

La presencia del collar metalico 22 soporta el mun6n de alabe durante todo el proceso de soldadura de fricci6n. Por tanto, el mun6n de alabe no requiere sujeci6n adicional. Esto tambien garantiza que los defectos de borde causados por el proceso de soldadura de fricci6n lineal esten presentes en el collar 22, el cual se retira subsiguientemente, en vez de estando en el alabe. El uso de un collar metalico depositado 20, que esta separado fisicamente del disco 14, es ventajoso porque tiene una entrada de calor relativamente baja y, por tanto, no dana el alabe o el disco 14. Ademas, el cuerpo 20 actua como una barrera y garantiza que la deposici6n del collar 22 no provoque que algun metal fundido haga contacto con el disco 14 y le dane. El cuerpo 20 tambien soporta el collar metalico 22 bajo carga. Dado que no hay interacci6n entre el cuerpo 20 y el disco 14, este disco 14 no resulta afectado adversamente por la presencia del cuerpo 20.

La posici6n remota del collar metalico 22, que esta formado justo por debajo del plano de soldadura inicial 1�, garantiza que, tras la soldadura de fricci6n lineal, el material que podria resultar afectado por el calor procedente del proceso de deposici6n de metal conformad se mantenga en un minimo. Por tanto, esto requiere una limpieza minima para retirar cualquier material afectado por calor y evitar que se incorpore en el nuevo perfil de alabe.

Usando el metodo anterior, no existe la necesidad de tener munones de alabe originales sobredimensionados para acomodar perfiles de mun6n de reparaci6n dentro del radio de filete del alabe terminado. El cuerpo 20 y el collar 22 proporcionan soporte incorporado al mun6n de alabe durante el proceso de soldadura de fricci6n lineal y no se requiere sujeci6n externa alguna. El cuerpo 20 tambien actua como una barrera entre el collar 22 y el disco e impide cualquier dano a la superficie del disco 14.

Puede realizarse diversas modificaciones a la realizaci6n antes descrita sin apartarse del alcance de la invenci6n segun se define por las reivindicaciones. Por ejemplo, pueden alterarse los materiales y formas del collar 22 y del cuerpo 20. En vez de un polimero para el cuerpo 20, podria usarse un metal de bajo punto de fusi6n, un revestimiento resistente al calor o una placa conformada.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Un metodo para reemplazar un alabe danado (12A) de un conjunto (10) de rotor con alabes integrados que incluye un disco (14) y una pluralidad de alabes (12) que se extienden hacia fuera desde el disco (12), incluyendo el metodo los pasos de:

retirar el alabe danado (12A) para dejar un mun6n (16) de alabe que sobresale del disco (14); formar un collar metalico (22) alrededor del mun6n (16) de alabe mediante deposici6n de un metal fundido; fijar un alabe de reemplazo (12) al mun6n (16) mediante soldadura de fricci6n lineal y retirar el collar (22); en donde el collar metalico (22) se deposita en una posici6n que esta separada fisicamente del disco (14);
2.

Un metodo segun la reivindicaci6n 1, en el que el conjunto (10) de rotor incluye un plano de soldadura original (1�) que define la posici6n en la que se sold6 el alabe (12) al rotor (10), caracterizado porque el alabe danado (12A) se retira radialmente hacia fuera del plano de soldadura original (1�).
3.

Un metodo segun la reivindicaci6n 2, caracterizado porque el collar (22) de deposita de tal manera que rodea el plano de soldadura original (1�).
4.

Un metodo segun cualquier reivindicaci6n precedente, caracterizado porque el collar (22) se deposita mediante deposici6n de metal conformado o mediante cualquier otro proceso de adici6n de material, tal como deposici6n de plasma, polvo de laser o alambre de laser.
5.

Un metodo segun la reivindicaci6n 4, caracterizado porque el collar (22) es anular e incluye una abertura central

(24) a traves de la cual pasa el mun6n (16) de alabe.
6.

Un metodo segun cualquier reivindicaci6n precedente, caracterizado porque el metodo incluye el paso de depositar un cuerpo de material (20) alrededor del mun6n de alabe junto al disco (14), siendo este material diferente del material del collar (22).
7.

Un metodo segun la reivindicaci6n 6, caracterizado porque el material (20) es un polimero o un revestimiento resistente al calor.

�. Un metodo segun la reivindicaci6n 6 o la reivindicaci6n 7, caracterizado porque el cuerpo de material (20) es anular e incluye una abertura central (21) a traves de la cual pasa el mun6n (16) de alabe.
9.

Un metodo segun la reivindicaci6n �, caracterizado porque el cuerpo de material (20) se deposita antes de la deposici6n del collar (22).
10.

Un metodo segun la reivindicaci6n 9, caracterizadoporque el collar (22) se deposita sobre el cuerpo de material

(20) de tal manera que empareda el cuerpo de material (20) entre si mismo (22) y el disco (14).
11.

Un metodo segun cualquier reivindicaci6n precedente, caracterizado porque el collar (22) se deposita directamente sobre el mun6n (16) de alabe.
12.

Un metodo segun cualquier reivindicaci6n precedente, caracterizado porque el proceso de soldadura de fricci6n lineal implica hacer oscilar tangencialmente el alabe (12) con respecto al disco (14).
13.

Un metodo segun cualquier reivindicaci6n precedente, caracterizado porque el collar (12) se retira mediante mecanizaci6n.
14.

Un metodo segun la reivindicaci6n 13, caracterizado porque el alabe resultante tiene sustancialmente la misma forma que el alabe original (12).