ITCO20120040A1 - Metodo per la riparazione di un componente di turbomacchina - Google Patents

Metodo per la riparazione di un componente di turbomacchina Download PDF

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ITCO20120040A1
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Riccardo Catastini
Eugenio Giorni
Fabrizio Mammoliti
Attilio Paolucci
Federico Pineschi
Giovanni Vitale
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Description

A METHOD FOR REPAIRING A TURBOMACHINE COMPONENT / METODO PER LA RIPARAZIONE DI UN COMPONENTE DI TURBOMACCHINA
DESCRIPTION/DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce a un metodo e a una macchina per riparare un componente di turbomacchina mediante placcatura al laser. Nella fattispecie, ma non in via esclusiva, la presente invenzione si può utilizzare per riparare il corpo di statori g di turbomacchine mediante placcatura al laser.
ARTE NOTA
Il crescente utilizzo di turbomacchine fino ai limiti funzionali richiede lo sviluppo di tecnologie di riparazione specifiche, studiate in modo da riprodurre condizioni simili a quelle delle parti nuove. Sia le parti rotanti, sia quelle non rotanti sono soggette a danni causati da erosione e/o usura. Ad esempio, spesso gli alberi di una turbina a vapore subiscono danni nelle aree di accoppiamento in corrispondenza delle estremità degli alberi e nelle aree dei cuscinetti portanti. Sugli alberi dei compressori centrifughi si presenta la stessa situazione con riferimento ai cuscinetti portanti e alle estremità degli alberi mentre, molto spesso, durante l'ispezione di un compressore emerge che l'area di tenuta delle giranti è usurata. Anche altre parti rotanti o fisse si possono danneggiare, ad esempio le palette di una turbina a vapore, il corpo di un compressore centrifugo o i rotori delle turbine a gas. Per quanto concerne i corpi di statori, ad esempio i corpi di statori di turbine a vapore, poiché gli statori sono dotati di palette, l'accesso in prossimità alle aree vicine alle palette è particolarmente difficile. Quando si adottano tecniche di riparazione tradizionali, di norma prima della riparazione è necessario rimuovere le palette dello statore.
Nel campo citato, le tecniche di riparazione convenzionali, come la saldatura ad arco elettrico o con deposito di microplasma, presentano molteplici svantaggi ovvero, nella fattispecie, tassi di riscaldamento e raffreddamento elevati e bassi volumi di fusione. In alternativa sono noti metodi di riparazione che prevedono la ricostruzione della superficie tramite laser (laser surfacing). I vantaggi offerti dalla seconda soluzione su processi di ricostruzione superficiale alternativi comprendono:
- pulizia chimica: non prevede combustione o bombardamento di ioni;
riscaldamento localizzato, con il minimo trasferimento di calore al substrato e con conseguente contenimento al minimo dei danni termici per il componente;
- procedure successive alla lavorazione ridotte;
- possibilità di lavorare materiali molto duri, friabili o morbidi;
- possibilità di controllare la penetrazione del calore;
- possibilità di depositare strati più spessi.
Tra i metodi di laser surfacing, la placcatura al laser è un metodo generalmente noto. La placcatura al laser si avvale di un raggio laser per fondere un materiale di placcatura, che possiede le proprietà desiderate, nel materiale di base di un componente la cui superficie deve essere riparata. La placcatura al laser consente di creare strati superficiali dalle proprietà superiori in termini di purezza, omogeneità, durezza, legame e microstruttura.
I metodi di riparazione mediante placcatura al laser sono già in uso per riparare componenti statici, come descritto in US20100287754, o per depositare piccoli volumi di materiale di placcatura, come descritto in US20090057275.
Per la riparazione di corpi di statore, e in particolar modo quando si riparano aree vicine alle palette dello statore, la placcatura al laser è particolarmente complessa, essendo necessario fornire un raggio laser della lunghezza idonea a raggiungere cavità tanto strette. In aggiunta la polvere di placcatura in eccesso, che non viene fusa con il materiale di base del componente, dovrebbe essere opportunamente rimossa dopo la procedura di riparazione. In base a quanto affermato, in tali casi la placcatura al laser non si utilizza e le palette vengono rimosse prima di riparare le aree danneggiate.
Pertanto sarebbe auspicabile fornire un metodo di placcatura al laser migliorato e una macchina che consentisse di evitare tali inconvenienti propri dell'arte precedente, in modo rapido e riproducibile per ogni componente di turbomacchina che debba essere riparata e, in particolar modo, per componenti di turbomacchina che presentino cavità strette, quali i corpi di statori provvisti di palette statoriche.
RIEPILOGO
Secondo una prima forma di realizzazione, la presente invenzione realizza tale obbiettivo fornendo un metodo di riparazione di un componente di turbomacchina comprendente i seguenti passaggi:
- allestimento di una macchina per placcatura al laser, comprendente una sorgente laser, un alimentatore di polvere e una sorgente d'aria, la macchina per placcatura al laser essendo configurata in modo tale che un raggio laser, un getto di polvere e un getto d'aria, rispettivamente generati dalla sorgente laser, l'alimentatore di polvere e la sorgente d'aria convergano su un'area che necessita di riparazione, all'interno di una stretta cavità di detto componente di turbomacchina;
- definizione di un percorso che includa le aree che necessitano di riparazione mediante placcatura al laser, che sia interno a detta stretta cavità, laddove detto percorso si estenda tra un primo punto terminale e un secondo punto terminale;
- avanzamento o del componente della macchina per placcatura al laser o della turbomacchina, uno in relazione all'altro, in modo tale che detto percorso sia coperto dal raggio laser e dal getto di polvere dal primo al secondo punto terminale, per riparare le suddette aree che necessitano di riparazione;
- arretramento o del componente della macchina per placcatura al laser o della turbomacchina, uno in relazione all'altro, in modo tale che detto percorso sia coperto dal secondo al primo punto terminale dal getto d'aria, per eliminare soffiando la polvere in eccesso dalia suddetta cavità; Con riferimento ad altri metodi noti di riparazione, la soluzione della presente invenzione consente di riparare in modo più rapido ed efficiente un componente di turbomacchina provvisto di strette cavità, soggetto a danneggiamento e/o usura e/o corrosione e che, pertanto, debba essere riparato mediante un metodo di stratificazione superficiale. Nella fattispecie, nel caso di riparazione di un corpo di statore provvisto di palette statoriche, non è necessaria la rimozione di queste ultime. L'impiego di una procedura di placcatura al laser consente di ricostruire in modo efficiente un volume danneggiato di proporzioni maggiori, depositando strati di spessore maggiore, senza compromettere le proprietà meccaniche del componente riparato.
Secondo un'ulteriore caratteristica vantaggiosa della prima forma di realizzazione, il percorso di placcatura è un percorso angolare, i cui punti terminale sono distanziati tra loro di 180°. Ciò consente di applicare il metodo della presente invenzione per riparare in modo rapido ed efficiente le metà di un corpo di statore.
In una seconda forma di realizzazione la presente invenzione fornisce una macchina per placcatura al laser comprendente una sorgente laser, un alimentatore di polvere e una sorgente d'aria (4), laddove la macchina per placcatura al laser è configurata in modo tale per cui un raggio laser, un getto di polvere e un getto d'aria, rispettivamente generati dalla sorgente laser, l'alimentatore di polvere e la sorgente d'aria convergono sulla stessa area.
Gli stessi vantaggi di cui sopra, con riferimento alla prima forma di realizzazione della presente invenzione, sono ottenuti dalla seconda forma di realizzazione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione delle forme di realizzazione dell'invenzione associate ai seguenti disegni in cui:
- la Figura 1 è un diagramma a blocchi generico di un metodo di riparazione di una turbomacchina secondo la presente invenzione; - La Figura 2 è una vista prospettica di una machina per placcatura al laser secondo la presente invenzione;
- la Figura 3 è una vista prospettica dettagliata della macchina per placcatura al laser nella figura 2; e
- la Figura 4 è una vista schematica di componenti essenziali della macchina per placcatura al laser della figura 2.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Con riferimento alla figura allegata 1 , un metodo per la riparazione di un componente C di una turbomacchina è genericamente indicato con il numero 100.
Con riferimento alle figure allegate da 2 a 4, una macchina per placcatura al laser per la riparazione di un componente C di una turbomacchina è genericamente indicato con il numero 1.
Il metodo 1 comprende un primo passaggio 110 consistente nell'allestimento di una macchina per placcatura al laser 1, comprendente una sorgente laser 2, un alimentatore di polvere 3 e una sorgente d'aria 4. La sorgente laser 2 e l'alimentatore di polvere 3 sono montati su un braccio automatizzato 1a della macchina per placcatura al laser 1.
La macchina per placcatura al laser 1 è configurata in modo tale per cui un raggio laser 2a, un getto di polvere 3a e un getto d'aria 4a sono rispettivamente generati dalla sorgente laser 2, laddove l'alimentatore di polvere 3 e la sorgente d'aria 4 convergono su un'area che necessita di riparazione, all'interno di una stretta cavità del componente di turbomacchina C. La sorgente laser 2 comprende un dispositivo ottico 20, atto a dirigere il raggio laser 2a verso l'area che necessita di riparazione. In rispettive forme di realizzazione della presente invenzione la lunghezza focale del dispositivo ottico 20 è scelta opportunamente, in modo tale che il raggio laser 2a, generato dalla sorgente laser 2, abbia una lunghezza idonea, che consenta di raggiungere stretta cavità del componente C della turbomacchina.
L'alimentatore di polvere 3 comprende un ugello fuori asse 30, ovvero un ugello che genera un getto di polvere 3a che non è coassiale al raggio laser 2a. L'ugello 30 è ubicato sull'estremità di una flangia allungata 31, in modo tale per cui il getto di polvere 3a possa essere vantaggiosamente diretto verso l'area che necessita di riparazione all'interno di una stretta cavità del componente di turbomacchina C. La sorgente d'aria 4 comprende un tubo flessibile 40, che si estende da una sezione di ingresso 41 verso una sezione di uscita 42. Il tubo flessibile 40 è fissato al braccio automatizzato 1a in modo tale per cui la sezione di uscita 42 sia ubicata nelle immediate vicinanze deN'ugello 30, al fine di dirigere il getto d'aria 4a in direzione dell'area che necessita di riparazione. La disposizione geometrica del dispositivo ottico 20, della flangia allungata 31 e della porzione terminale del tubo flessibile 40, comprendente la sezione di uscita 42, consente di convogliare il raggio laser 2a, un getto di polvere 3a e un getto d'aria 4a area che necessita di riparazione. La sezione di ingresso 41 del tubo flessibile 40 è collegata a un compressore volumetrico 43 per generare un flusso d'aria attraverso il tubo flessibile 40, al fine di produrre il getto d'aria 4a attraverso la sezione di uscita 42. La sorgente d'aria 4 comprende inoltre un secondo tubo 44, per fornire aria al compressore volumetrico 43, e uno scambiatore di calore (non raffigurato) per riscaldare l'aria che raggiunge la sezione di uscita 42. La temperatura del getto d'aria 4a deve essere sufficientemente elevata ma, in ogni caso, considerevolmente inferiore alla temperatura della tempratura del materiale del componente C, in modo da non modificare le proprietà meccaniche e la struttura delle aree riparate. Ad esempio, se il componente C è realizzato con una bassa lega di acciaio, è preferibile che la temperatura del getto d'aria sia compresa tra 200 °C e 250 °C.
Nella forma di realizzazione delle figure allegate da 2 a 4, il componente di turbomacchina C è un corpo di statore di una turbina a vapore comprendente due gusci 10 (nelle figure allegate è raffigurato solo un guscio 10, poiché il secondo è identico), laddove ciascun guscio 10 corrisponde a una rispettiva mezza porzione del corpo di statore C. Il metodo 1 è idoneo alla riparazione di aree danneggiate da erosione e/o usura lungo le superfici interne del guscio 10, in aree specifiche vicine alle palette statoriche 11, ad esempio aree poste nella stretta cavità 12 tra due file adiacenti di palette statoriche, dove è ubicata una girante corrispondente delle turbine.
Si noti che la pluralità di palette statoriche 11 distinte e separate è raffigurata come una sola unità nella figura 3, soltanto per semplificare la figura.
Dopo il primo passaggio 110 il metodo 100 prevede un secondo passaggio 120, consistente nella definizione di un percorso lineare o angolare P, comprendente aree che necessitano di riparazione mediante placcatura al laser all'interno di strette cavità. Il percorso si estende tra un primo punto terminale A e un secondo punto terminale B. Nella forma di realizzazione delle figure da 2 a 4 allegate il percorso P è angolare e corrisponde a mezza circonferenza, laddove la distanza angolare tra il primo punto terminale A e il secondo unto terminale B è pari a 180°.
Prima di riparare l'area danneggiata, è necessario definire una pluralità di parametri di processo della macchina per placcatura al laser 1. I parametri di processo comprendono:
- tasso di applicazione della polvere,
- energia del raggio laser,
- velocità di scansione,
- distanziamento (ovvero la distanza tra l'ugello dell'alimentatore della polvere 3 e le aree che necessitano di riparazione):
- portata del gas di copertura,
- maglia della polvere,
- densità energetica,
- lunghezza focale del dispositivo ottico 20 della sorgente laser 2,
- angolo tra raggio laser 2a e percorso P.
Alcuni dei parametri di cui sopra dipendono dalla geometria del componente C. Nella fattispecie quando si riparano aree in cavità strette, la lunghezza focale deve essere vantaggiosamente elevata, tale che il raggio laser 2a raggiunga l'area che necessita di riparazione lungo il percorso P. Considerato il vincolo geometrico citato, tutti gli altri parametri devono essere vantaggiosamente definiti in modo tale da riparare in modo efficiente le aree danneggiate del componente C. La regolazione dei parametri precedenti, tuttavia, non è oggetto specifico della presente invenzione.
Il metodo comprende inoltre un passaggio preliminare, consistente nella lavorazione dell'area che necessita di riparazione lungo il percorso P, al fine di creare una superficie regolare sulla quale successivamente sarà eseguita la placcatura al laser, nel modo precedentemente descritto. Nella forma di realizzazione delle figure allegate da 2 a 4, il passaggio preliminare consistente nella lavorazione, generalmente comprende la rotazione dell'area che necessita dì riparazione, utilizzando un tornio verticale, comprendente un mandrino sul quale è montato il guscio 10, secondo una procedura di rotazione convenzionale e ben nota nel settore. Dopo avere definito i parametri precedenti, dopo il passaggio preliminare di lavorazione e dopo avere eseguito il secondo passaggio 120, il metodo 100 comprende un terzo passaggio di placcatura 130, consistente nell'avanzamento o della macchina per placcatura al laser 1 o del componente di turbomacchina C, uno in relazione all'altro, in modo tale che il percorso P sia coperto dal primo al secondo punto terminale A, B dal raggio laser 2a e dal getto di polvere 3a per la riparazione delle aree danneggiate che necessitano di riparazione lungo il percorso P. Nella forma di realizzazione delle figure allegate da 2 a 4 il braccio automatizzato 1 a si sposta lungo il percorso circolare P dal primo punto terminale A al secondo punto terminale B, in modo tale che il percorso P sia coperto dal raggio laser 2a e dal getto di polvere 3a.
Durante il processo di placcatura, solo parte del materiale di placcatura, ovvero la polvere emessa dal getto 3a, si fonde sul componente C. Pertanto, eseguito il terzo passaggio 130, un eccesso di polvere, che non è stato fuso nel componente C dal procedimento di placcatura, rimarrà lungo il percorso P. Per rimuovere tale eccesso, dopo il terzo passaggio 130, il metodo 100 prevede un quarto passaggio di pulizia 140, consistente nell'arretramento o della macchina per placcatura 1 o del componente di turbo macchina C, uno in relazione all'altro, in modo tale che il percorso P sia coperto dal secondo al primo punto terminale B, A dal getto d'aria 4a, per eliminare, soffiando, la polvere in eccesso dalle aree riparate nella cavità. Nella forma di realizzazione delle figure allegate da 2 a 4, il braccio automatizzato 1a si sposta lungo il percorso circolare P dal secondo punto terminale B al primo punto terminale A, in modo tale che il percorso P sia coperto dal getto d'aria 4a.
Secondo le diverse forme di realizzazione della presente invenzione, per completare la riparazione delle aree danneggiate lungo il percorso P, il terzo e il quarto passaggio 130, 140 devono essere ripetuti una o più volte, ovvero un numero di volte n>2, al fine di applicare almeno due strati di materiale di placcatura. Il numero di ripetizioni n dipende dallo spessore degli strati di materiale di placcatura depositato a ogni esecuzione del terzo passaggio di placcatura 130 e dalla quantità complessiva di materiale di placcatura che deve essere depositato, per ottenere una riparazione perfetta lungo il percorso P.
Secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione, quando si ripete il terzo passaggio 130, l'angolo compreso tra il raggio laser 2a e il percorso P lungo l'area che necessita di riparazione cambia. In ogni caso di norma questo angolo è minore o uguale a 90°.
In generale numerosi altri componenti di turbomacchina possono essere riparati con il metodo della presente invenzione, utilizzando una macchina per placcatura a laser come descritto in precedenza.
In ogni caso è di fondamentale importanza che il terzo e il quarto passaggio 130,140 siano ripetuti rispettivamente uno dopo l'altro, al fine di pulire le aree riparate dal materiale di placcatura non fuso dopo ogni esecuzione del terzo passaggio di placcatura 130.

Claims (7)

  1. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Metodo (100) di riparazione di un componente di turbomacchina (C), comprendente i passaggi seguenti: - allestimento (110) di una macchina di placcatura (1) comprendente una sorgente laser (2), un alimentatore di polvere (3) e una sorgente d'aria (4), la macchina per placcatura al laser (1 ) essendo configurata in modo tale che un raggio laser (2a), un getto di polvere (3a) e un getto d'aria (4a), rispettivamente generati dalla sorgente laser (2), dall'alimentatore di polvere (3) e dalla sorgente d'aria (4), convergano su un'area che necessita di riparazione, all'interno di una stretta cavità di detto componente di turbomacchina; - definizione di un percorso (120) che includa aree che necessitano di riparazione mediante placcatura al laser, che sia interno a detta stretta cavità, laddove detto percorso si estenda tra un primo punto terminale e un secondo punto terminale; - avanzamento (130) o della macchina per placcatura al laser (1) o del componente di turbomacchina (C), uno in relazione all'altro, in modo tale che detto percorso sia coperto dal primo al secondo punto terminale dal raggio laser (2a) e dal getto di polvere (3a), per riparare le suddette aree che necessitano di riparazione; - arretramento (140) o della macchina per placcatura al laser (1) o del componente di turbomacchina (C), uno in relazione all'altro, in modo tale che detto percorso sia coperto dal secondo al primo punto terminale dal getto d'aria (4a), per eliminare soffiando dalla suddetta cavità la polvere in eccesso. 2. Metodo (100) secondo la rivendicazione 1 , nel quale i passaggi di avanzamento (130) e arretramento (140) sono ripetuti più di una volta. 3. Metodo (100) secondo la rivendicazione 1 , nel quale detto percorso è di tipo angolare. 4. Metodo (100) secondo la rivendicazione 3, nel quale il primo e il secondo punto sono distanziati in senso angolare tra loro di 180°. 5. Metodo (100) secondo la rivendicazione 1 , nel quale detto componente di turbomacchina (C) è un corpo di statore. 6. Macchina per placcatura al laser (1) comprendente una sorgente laser (2), un alimentatore di polvere (3) e una sorgente d'aria (4), la macchina per placcatura al laser (1) essendo configurata in modo tale che un raggio laser (2a), un getto di polvere (3a) e un getto d'aria (4a), rispettivamente generati dalla sorgente laser (2), dall'alimentatore di polvere (3) e dalla sorgente d'aria (4), convergano su una stessa area. 7. Macchina per placcatura al laser (1) secondo la rivendicazione 6, comprendente misure specifiche per l'esecuzione del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A method (100) for repairing a turbomachine component (C) comprising the steps of: - setting up (110) a laser cladding machine (1 ) including a laser source (2) a powder feeder (3) and an air source (4), the laser cladding machine (1 ) being configured in such a way that a laser beam (2a), a powder jet (3a) and an air jet (4a), respectively generated by the laser source (2), the powder feeder (3) and the air source (4), converge on an area to be repaired within a narrow recess of said turbomachine component; - defining a path (120) including areas to be repaired by laser cladding within said narrow recess, said path being extended between a first end point and a second end point; - moving forward (130) one of the laser cladding machine (1 ) and the turbomachine component (C) relatively to the other of the laser cladding machine (1 ) and the turbomachine component (C), in order that said path is covered from the first to the second end point by the laser beam (2a) and the powder jet (3a) for repairing said areas to be repaired; - moving backward (140) one of the laser cladding machine (1 ) and the turbomachine component (C) relatively to the other of the laser cladding machine (1 ) and the turbomachine component (C), in order that said path is covered from the second to the first end point by the air jet (4a) for blowing away the powder in excess from said recess.
  2. 2. The method (100) according to claim 1 , wherein the steps moving forward (130) and moving backward (140) are repeated once or more than once.
  3. 3. The method (100) according to claim 1 , wherein said path is an angular path.
  4. 4. The method (100) according to claim 3, wherein the first and second point are angularly spaced from one another of 180°.
  5. 5. The method (100) according to claim 1 , wherein said turbomachine component (C) is a stator case.
  6. 6. A laser cladding machine (1 ) including a laser source (2) a powder feeder (3) and an air source (4), the laser cladding machine (1 ) being configured in such a way that a laser beam (2a), a powder jet (3a) and an air jet (4a), respectively generated by the laser source (2), the powder feeder (3) and the air source (4), converge on a same area.
  7. 7. The laser cladding machine (1 ) according to claim 6, comprising specific means for carrying out the method according to any of the claims from 1 to 5.
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