WO2008138300A1 - Reparaturverfahren - Google Patents

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Karl-Hermann Richter
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Mtu Aero Engines Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a repair method for gas turbine components.
  • Gas turbine components are subject to wear during operation.
  • the wear of the gas turbine components may necessitate repairing them after damage by removing damaged portions of the gas turbine components from them and renewing them after removing the damaged portions.
  • integrally bladed gas turbine rotors are subject to wear during operation, particularly due to oxidation, corrosion, erosion, and bird strike or even hail, so that damaged portions thereof must be removed and replaced after removal.
  • the replacement of a removed, damaged section on an integrally bladed gas turbine rotor takes place by welding a replacement part to a blade stump formed when the damaged section is removed.
  • inductive pressure welding is used.
  • the use of this known from the prior art method has the disadvantage that the repaired component, in particular in the region of the formed weld a lower strength, in particular a lower HCF strength identifies.
  • the present invention based on the problem to provide a novel repair method. This problem is solved by a repair method according to claim 1.
  • the repair method comprises at least the following steps: a) provision of a gas turbine component to be repaired, in particular an integrally bladed gas turbine rotor; b) removing a damaged section, in particular a damaged blade section, from the gas turbine component to be repaired, forming a connection section, in particular a blade stump; c) providing an enclosure for the attachment section; d) attaching the enclosure to the attachment portion such that the enclosure surrounds the attachment portion nearly gap-free, and that an attachment surface of the attachment portion is co-planar with a surface of the enclosure; e) renewing the removed portion by building it up on the attachment portion by means of laser beam generation; f) Machining the renewed section by milling removing the enclosure.
  • the repair method of the present invention renewal of a removed, damaged portion is performed by building it up by means of laser beam generation.
  • the strength properties, in particular the HCF strength, of laser-beam-generated layers are at least equal to those of the base material, so that a repaired component has approximately the same strength properties as a new component.
  • the present invention relates to a repair method for gas turbine components, in particular for integrally bladed gas turbine rotors.
  • inventive method for the preferred application of the repair of an integral bladed gas turbine rotor described.
  • the integrally bladed gas turbine rotor to be repaired has a damaged blade to be repaired at least on one blade.
  • the gas turbine rotor rotor to be repaired is first provided, and then the damaged airfoil of the blade to be repaired is removed therefrom by the gas turbine rotor to form a connecting portion formed as a blade stump.
  • an enclosure is provided for the previously formed connection section, wherein this enclosure can also be referred to as a mask.
  • the provided enclosure is attached or arranged at the connection section such that the enclosure surrounds the attachment section, namely the blade stump, almost gap-free, namely in the region of its concave side and its convex side, ie in the region of its flow-relevant surfaces.
  • the skirt is attached to the blade stub such that a bonding surface of the blade stub is co-located with a surface of the skirt in a plane. The attachment surface of the blade stump thus forms a flat platform together with the surface of the enclosure.
  • the damaged distal portion namely the airfoil
  • the connecting portion of the blade stub by means of laser beam generation.
  • the building up therefore takes place on the flat platform, which forms the connection surface of the blade stump together with the surface of the enclosure.
  • the renewed section namely the renewed section, is machined. Fellblatts, by milling, in which case the edging is removed by milling and the blade is machined to final contour. Furthermore, surface finishing or heat treatment may follow.
  • the skirt it is preferable to use a skirt formed of the same material as the gas turbine rotor to be repaired. Then, when it has a changing material composition, the skirt is formed of a material corresponding to the material of the blade stub.
  • the enclosure used preferably has a thickness between 1 mm and 3 mm, in particular over a thickness between 1.5 mm and 2.5 mm. Preferably, a thickness of the enclosure of about 2 mm.
  • a one-part enclosure is used, which is arranged by shrinking around the blade root almost gap-free.
  • the contour of the enclosure is adapted to the contour of the connection portion, namely the blade stump. Since the blade stump generally has a three-dimensional contour, the enclosure at the locations where it encloses the blade stump must also have this three-dimensional contour.
  • the skirt or mask for the attachment portion is preferably produced by three-dimensional laser beam cutting.
  • high-pressure cutting is used with a cutting pressure between 10 bar and 20 bar under a protective gas atmosphere. In this case, it is then not necessary to machine the edge of the enclosure for removing oxide layers.
  • integrally bladed gas turbine rotors in particular nickel-based alloys or titanium-based alloys, in a process-reliable manner. Notches in the transitional area between the blade stump formed by severing a damaged blade and the airfoil regenerated by laser beam generation can be avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für integral beschaufelte Gasturbinenrotoren, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors; b) Entfernen eines beschädigten Abschnitts, insbesondere eines beschädigten Schaufelblattabschnitts, vom zu reparierenden Gasturbinenbauteil unter Ausbildung eines Anbindungsabschnitts, insbesondere eines Schaufelstumpfs; c) Bereitstellen einer Einfassung für den Anbindungsabschnitt; d) Anbringen der Einfassung am Anbindungsabschnitt, derart, dass die Einfassung den Anbindungsabschnitt nahezu spaltfrei umgibt, und dass eine Anbindungsoberfläche des Anbindungsabschnitts zusammen mit einer Oberfläche der Einfassung in einer Ebene liegt; e) Erneuern des entfernten Abschnitts durch Aufbauen desselben auf dem Anbindungsabschnitt mit Hilfe von Laserstrahlgenerieren; f) Bearbeiten des erneuerten Abschnitts durch Fräsen unter Entfernen der Einfassung.

Description

Reparaturverfahren
Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile.
Gasturbinenbauteile unterliegen während des Betriebs einem Verschleiß. Durch den Verschleiß der Gasturbinenbauteile kann es erforderlich werden, dieselben nach Beschädigung dadurch zu reparieren, dass beschädigte Abschnitte der Gasturbinenbauteile von denselben entfernt sowie nach dem Entfernen der beschädigten Abschnitte dieselben erneuert werden. So sind zum Beispiel integral beschaufelte Gasturbinenrotoren während des Betriebs einem Verschleiß insbesondere durch Oxidation, Korrosion, Erosion sowie Vogelschlag oder auch Hagelschlag ausgesetzt, sodass beschädigte Abschnitte derselben entfernt sowie nach dem Entfernen erneuert werden müssen.
Aus der DE 39 09 733 Al ist ein Verfahren zum Reparieren von z. B. integral beschaufelten Gasturbinenrotoren bekannt, bei welchem ein beschädigter Abschnitt des zu reparierenden Gasturbinenbauteils entfernt und nach dem Entfernen derselbe durch Anschweißen eines Ersatzteils erneuert wird. Hierbei kommt nach diesem Stand der Technik eine als Schweißmanschette dienende Einfassung zum Einsatz, die bei Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors um einen Schaufelstumpf herum angeordnet wird.
Nach der DE 39 09 733 Al erfolgt demnach das Erneuern eines entfernten, beschädigten Abschnitts an einem integral beschaufelten Gasturbinenrotor dadurch, dass ein Ersatzteil an einen bei Abtrennen des beschädigten Abschnitts ausgebildeten Schaufelstumpf angeschweißt wird. Hierbei kommt vorzugsweise induktives Pressschweißen zum Einsatz. Die Verwendung dieses aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens verfügt über den Nachteil, dass das reparierte Bauteil insbesondere im Bereich der ausgebildeten Schweißnaht eine geringere Festigkeit, insbesondere eine geringere HCF-Festigkeit, ausweist. Es besteht daher ein Bedarf an einem Reparaturverfahren, mit welchem gewährleistet werden kann, dass das repartierte Bauteil in etwa die gleichen Festigkeitseigenschaften aufweist wie ein neues Bauteil. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde ein neuartiges Reparaturverfahren zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Reparaturverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst das Reparaturverfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors; b) Entfernen eines beschädigten Abschnitts, insbesondere eines beschädigten Schaufelblattabschnitts, vom zu reparierenden Gasturbinenbauteil unter Ausbildung eines Anbindungsabschnitts, insbesondere eines Schaufelstumpfs; c) Bereitstellen einer Einfassung für den Anbindungsabschnitt; d) Anbringen der Einfassung am Anbin- dungsabschnitt, derart, dass die Einfassung den Anbindungsabschnitt nahezu spaltfrei umgibt, und dass eine Anbindungsoberfläche des Anbindungsabschnitts zusammen mit einer Oberfläche der Einfassung in einer Ebene liegt; e) Erneuern des entfernten Abschnitts durch Aufbauen desselben auf dem Anbindungsabschnitt mit Hilfe von Laserstrahlgenerieren; f) Bearbeiten des erneuerten Abschnitts durch Fräsen unter Entfernen der Einfassung.
Beim erfindungsgemäßen Reparaturverfahren erfolgt das Erneuern eines entfernten, beschädigten Abschnitts durch Aufbauen desselben mit Hilfe von Laserstrahlgenerieren. Die Festigkeitseigenschaften, insbesondere die HCF-Festigkeit, von laserstrahlgenerierten Schichten sind denen des Grundwerkstoffs zumindest ebenbürtig, sodass ein repariertes Bauteil über in etwa gleiche Festigkeitseigenschaften verfügt wie ein neues Bauteil. Durch das Anordnen einer Einfassung um den Anbindungsabschnitt herum ist es möglich, den entfernten Abschnitt durch Laserstrahlgenerieren randkerbenfrei aufzubauen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend näher erläutert.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für integral beschaufelte Gasturbinenrotoren. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren für den bevorzugten Anwendungsfall der Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors beschrieben. Hierbei soll davon ausgegangen werden, dass der zu reparierende, integral beschaufelte Gasturbinenrotor zumindest an einer Laufschaufel ein beschädigtes, zu reparierendes Schaufelblatt aufweist.
Zur Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors im Bereich eines Schaufelblatts einer Laufschaufel wird zuerst der zu reparierende, integral beschaufelte Gasturbinenrotor bereitgestellt, wobei anschließend vom Gasturbinenrotor das beschädigte Schaufelblatt der zu reparierenden Laufschaufel von derselben unter Ausbildung eines als Schaufelstumpf ausgebildeten Anbindungsabschnitts entfernt wird.
Weiterhin wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Einfassung für den zuvor ausgebildeten Anbindungsabschnitt bereitgestellt, wobei diese Einfassung auch als Maske bezeichnet werden kann.
Die bereitgestellte Einfassung wird am Anbindungsabschnitt derart angebracht bzw. angeordnet, dass die Einfassung den Anbindungsabschnitt, nämlich den Schaufelstumpf, nahezu spaltfrei umgibt, nämlich im Bereich seiner Konkavseite sowie seiner Konvexseite, also im Bereich seiner strömungsrelevanten Oberflächen. Weiterhin wird die Einfassung am Schaufelstumpf derart angebracht, dass eine Anbindungsoberfläche des Schaufelstumpfs zusammen mit einer Oberfläche der Einfassung in einer Ebene liegt. Die Anbindungsoberfläche des Schaufelstumpfs bildet demnach zusammen mit der Oberfläche der Einfassung eine ebene Plattform.
Anschließend wird der beschädigte, entfernte Abschnitt, nämlich das Schaufelblatt, durch Aufbauen desselben auf dem Anbindungsabschnitt des Schaufelstumpfes mit Hilfe von Laserstrahlgenerieren erneuert. Das Aufbauen erfolgt demzufolge auf der ebenen Plattform, welche die Anbindungsoberfläche des Schaufelstumpfes zusammen mit der Oberfläche der Einfassung bildet.
Nach dem vollständigen Erneuern bzw. Aufbauen des Schaufelblatts durch Laserstrahlgenerieren erfolgt eine Bearbeitung des erneuerten Abschnitts, nämlich des erneuerten Schau- felblatts, durch Fräsen, wobei hierbei die Einfassung frästechnisch entfernt wird und das Schaufelblatt auf Endkontur bearbeitet wird. Weiterhin kann sich ein Oberflächen- Finishing bzw. eine Wärmebehandlung anschließen.
Als Einfassung wird vorzugsweise eine Einfassung verwendet, die aus dem gleichen Werkstoff gebildet ist wie der zu reparierende, integral beschaufelte Gasturbinenrotor. Dann, wenn derselbe eine sich verändernde Werkstoffzusammensetzung aufweist, ist die Einfassung aus einem Werkstoff gebildet, der dem Werkstoff des Schaufelstumpfes entspricht.
Die verwendete Einfassung verfügt vorzugsweise über eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm, insbesondere über eine Dicke zwischen 1,5 mm und 2,5 mm. Bevorzugt ist eine Dicke der Einfassung von in etwa 2 mm.
Nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine einteilige Einfassung verwendet, die durch Aufschrumpfen um den Schaufelfuß herum nahezu spaltfrei angeordnet wird.
Nach einer zweiten Alternative ist es möglich, eine mehrteilige, nämlich zweiteilige, Einfassung zu verwenden, wobei dann ein Teil der Einfassung die Konkavseite und der andere Teil der Einfassung die Konvexseite des Schaufelstumpfes nahezu spaltfrei umgibt.
Die Kontur der Einfassung ist an die Kontur des Anbindungsabschnitts, nämlich des Schaufelstumpfes, angepasst. Da der Schaufelstumpf im Allgemeinen eine dreidimensionale Kontur aufweist, muss auch die Einfassung an den Stellen, an denen sie den Schaufelstumpf umschließt, diese dreidimensionale Kontur aufweisen.
Die Einfassung bzw. Maske für den Anbindungsabschnitt, nämlich Schaufelstumpf, wird bevorzugt durch dreidimensionales Laserstrahlschneiden hergestellt. Vorzugsweise kommt Hochdruckschneiden mit einem Schneiddruck zwischen 10 bar und 20 bar unter Schutzgasatmosphäre zum Einsatz. In diesem Fall ist es dann nicht erforderlich, den Rand der Einfassung zum Entfernen von Oxydschichten zu bearbeiten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, integral beschaufelte Gasturbinenrotoren, insbesondere aus Nickelbasislegierungen bzw. Titanbasislegierungen, prozesssicher zu reparieren. Kerben im Übergangsbereich zwischen dem durch Abtrennen eines beschädigten Schaufelblatts gebildeten Schaufelstumpf und dem durch Laserstrahlgenerieren neu aufgebauten Schaufelblatt können vermieden werden.

Claims

Ansprüche
1. Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für integral beschaufelte Gasturbinenrotoren, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors; b) Entfernen eines beschädigten Abschnitts, insbesondere eines beschädigten Schaufelblattabschnitts, vom zu reparierenden Gasturbinenbauteil unter Ausbildung eines Anbindungsabschnitts, insbesondere eines Schaufelstumpfs; c) Bereitstellen einer Einfassung für den Anbindungsabschnitt; d) Anbringen der Einfassung am Anbindungsabschnitt, derart, dass die Einfassung den Anbindungsabschnitt nahezu spaltfrei umgibt, und dass eine Anbindungsoberflä- che des Anbindungsabschnitts zusammen mit einer Oberfläche der Einfassung in einer Ebene liegt; e) Erneuern des entfernten Abschnitts durch Aufbauen desselben auf dem Anbindungsabschnitt mit Hilfe von Laserstrahlgenerieren; f) Bearbeiten des erneuerten Abschnitts durch Fräsen unter Entfernen der Einfassung.
2. Reparaturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einteilige Einfassung verwendet wird, die um den Anbindungsabschnitt aufgeschrumpft wird.
3. Reparaturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweiteilige Einfassung verwendet wird.
4. Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einfassung verwendet wird, die aus dem gleichen Werkstoff gebildet ist wie das zu reparierende Gasturbinenbauteil oder der Anbindungsabschnitt desselben.
5. Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einfassung verwendet wird, die eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm, insbesondere eine Dicke zwischen 1,5 mm und 2,5 mm, vorzugsweise eine Dicke von in etwa 2 mm, aufweist.
6. Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bearbeiten des erneuerten Abschnitts durch Fräsen ein Oberflächen- Finishing erfolgt.
7. Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bearbeiten des erneuerten Abschnitts durch Fräsen oder nach dem Oberflächen-Finishing eine Wärmebehandlung erfolgt.
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