DE10254823A1

DE10254823A1 - Verfahren zur Herstellung von Versuchsschaufeln für thermische Strömungsmaschinen

Info

Publication number: DE10254823A1
Application number: DE2002154823
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried; Joerg Stengele
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2003-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Versuchsschaufeln für thermische Strömungsmaschinen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt mittels an sich bekannter Verfahren eine ein Ausgangsprofil (A) aufweisende Urschaufel mit einem Schaufelblatt (2) hergestellt wird, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt auf die Oberfläche des Schaufelblattes (2) dieser Urschaufel örtlich gezielt ein Material (9) mittels bekanntem Flammspritz-Verfahren aufgebracht wird, so dass ein geändertes Profil (B) gebildet wird. Nach einem erfolgten Testversuch der Versuchsschaufel (1) kann das Schaufelblatt (2) in einem weiteren Verfahrensschritt abgeschliffen und anschließend erneut örtlich gezielt mit dem Material (9) mittels bekanntem Flammspritz-Verfahren beschichtet werden zwecks Erzeugung eines gegenüber dem ersten Versuchsprofil (B) veränderten Profils (C).

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Strömungsmaschinen. Sie betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Versuchsschaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln, mit dem es leicht möglich ist, ein Schaufelprofil zu Versuchszwecken zu verändern und zu optimieren.

Stand der Technik

Die Leistung einer Gasturbine wird im wesentlichen bestimmt durch die verarbeiteten Massenströme wie Brennstoff und Luft.
Auf die Höhe des Wirkungsgrades einer Gasturbine hat neben den Dichtungen, Lagern usw. vor allem die Güte der Beschaufelung einen Einfluss. Die Schaufelabmessungen, z. B. die Sehnenlänge, die Schaufelhöhe, die Wölbung, die Profildicke und die Verwindung, sowie der engste Querschnitt zwischen zwei benachbarten Schaufeln, welcher sich aus dem Schaufelabstand der berechneten und gefertigten Blattprofile im Bereich der druckseitigen Hinterkante und der saugseitigen grössten Blattwölbung ergibt, bestimmen dabei die für die Turbine geeignetesten Strömungsdaten einer Stufe, beispielweise An- und Abströmwinkel, Druckverhältnis, Gasgeschwindigkeit und -menge.
Die Auslegung/Konstruktion/Fertigung einer neuen Gasturbine beruht heute auf Erfahrungen, Berechnungen und Versuchen. Dabei gibt es immer wieder Parameter, die durch Annahmen nur unzureichend das Optimum darstellen. Diese Parameter werden in vorteilhafter Weise in Vorversuchen ermittelt. Für diese Vorversuche benötigt man oft (Versuchs)Schaufeln in Originalgrösse und Geometrie. Die Herstellung dieser Schaufeln ist mit sehr hohen Kosten verbunden.
Aus diesem Grund wird seit vielen Jahren das sogenannte "Rapid Prototyping" mit unterschiedlichen Verfahren entwickelt und teilweise angewendet.
Unter der Bezeichnung "Rapid Prototyping" wird ein Prozess verstanden, bei dem Computerinformationen, die in elektronischen Karteien (meist 3D- Modelle) gespeichert sind, zur Herstellung von körperlichen dreidimensionalen Modellen mittels spezieller Maschinen verwendet werden.
Beispielsweise wird beim stereolithographischen Verfahren, einem der Rapid Prototyping Verfahren, als Baumaterial für das Modell ein lichthärtendes Epoxidharz verwendet. Im Bereich der Strömungsmaschinen sind z. B. mittels Rapid Prototyping Verfahrens hergestellte Turbinenschaufeln aus Metallpulver bekannt. Dabei wird die Turbinenschaufel Lage für Lage mittels Pulver und einem Binder aufgebaut. Je nach Verwendungszweck wird das so aufgebaute Modell einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Pulver Lage für Lage z. B. mit einem Laserverfahren einzuschmelzen. Damit können Designzeiten, Produktions- und Werkzeugkosten verringert werden.
Ein Nachteil vieler Rapid Prototyping Verfahren besteht darin, dass sie auf Grund der verwendeten Materialien nur zur Herstellung von Anschauungsmodellen geeignet sind. Die Oberflächenqualität der Modelle variiert je nach Verfahrensart und Werkstoff. Sie ist in der Regel nachteilig sehr rauh, bedingt durch den schichtweisen Aufbau. Mittels Rapid Prototyping Verfahren wird in der Regel ein Bauteil von Anfang bis zum Ende neu aufgebaut.
Für die Herstellung von Funktionsmustern, welche unter realistischen Bedingungen (z. B. 1000°C, hohe mechanische Belastung wie es typisch für Turbinenschaufeln ist) eingesetzt werden, können nachteilig kaum originale Werkstoffe verwendet werden, weil diese durch ihren hohen Al- und Cr-Gehalt nur schwer an Atmosphäre z. B. Laser geschweisst oder Laser gesintert werden können. Sind die Bauteile relativ gross, so können Verzug und innere Spannungen ausserdem die geometrische Genauigkeit negativ beeinflussen.
Aus der Reparaturtechnik ist bekannt, mittels Flammspritzen bei Gleitlagern, Walzen, Zylindern usw. einen Materialauftrag zu realisieren. Nach dem Überschleifen sind diese Teile wieder gebrauchstüchtig und Neuteilen ebenbürtig. Hier geht es darum, das ursprüngliche Originalmass wieder herzustellen oder verschleissfestere Materialien aufzutragen.
Bekannt ist auch, einen Materialauftrag auf bestimmte Bauteile mittels Schweissen aufzubringen. Das setzt aber voraus, dass schweissbare Materialien vorhanden sein müssen. Vor dem Gebrauch der Bauteile müssen diese ebenfalls überschliffen werden.

Aus EP 1 026 366 A1 ist bekannt, zur Vibrationsdämpfung einen Materialüberzug im Bereich der Schaufelspitze/Kante einer Turbinenschaufel aufzubringen, wobei z. B. Plasmaspritzen oder andere physikalische oder chemische Aufdampfmethoden angewendet werden. Die Dicke der Schicht wird über der Fläche der Schaufel variiert, um einen optimalen Dämpfungseffekt zu erzielen.

Darstellung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Versuchsschaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln, zu entwickeln, mit dem es leicht möglich ist, ein vorhandenes Schaufelprofil zu Versuchszwecken zu verändern und zu optimieren. Die Schaufeln sollen möglichst vielseitig einsetzbar sein, d. h. ihr Profil soll möglichst mehrfach an verschiedene Bedingungen anpassbar sein. Dabei sollen sowohl bereits vorhandene, z. B. Ausschussschaufeln, als auch neu hergestellte Schaufeln verwendbar sein. Das Verfahren soll ausserdem möglichst einfach zu handhaben und sowohl für metallische als auch keramische Materialien anwendbar sein.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt mittels an sich bekannter Verfahren eine ein Ausgangsprofil aufweisende Urschaufel mit einem Schaufelblatt hergestellt wird, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt zwecks Profilveränderung auf die Oberfläche des Schaufelblattes dieser Urschaufel örtlich gezielt ein Material mittels bekanntem Flammspritz-Verfahren aufgebracht wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es mit dem erfindungsgemässen Verfahren möglich ist, kurzfristig und kostengünstig Versuchsschaufeln mit unterschiedlichen Profilen herzustellen. Das vorhandene Schaufelprofil kann zu Versuchszwecken leicht verändert und optimiert werden.

Vorteilhafterweise können sowohl bereits vorhandene Produktionsschaufeln, z. B. Ausschussschaufeln, als auch neu hergestellte Urschaufeln verwendet werden.

Das Flammspritzverfahren ist relativ universell einsetzbar, da sich mit Vorteil sowohl Metalle (Schaufelgrundmaterial, Schutzschichtmaterialien, Haftschichtmaterialien) als auch Keramik, z. B. TBC (Thermal Barrier Coating) verwenden lassen. Es sind vorteilhaft Materialdicken in relativ breiten Bereichen realisierbar.

Ausserdem können weiche Übergänge in der Auftragsdicke erzielt werden, wobei sich das Auftragsmaterial örtlich begrenzt an den richtigen Stellen platzieren lässt, ohne dass eine nennenswerte Nacharbeit, wie z. B. ein Überschleifen, notwendig ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Gasturbinenschaufel und
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.
In den Figuren sind jeweils gleiche Positionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
In einem Turbinenversuch soll für einen bestimmten Turbinentyp die Frage der günstigsten Eintrittskantengeometrie für die erste Leitreihe geklärt werden.
Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Leitschaufel 1 dieser Gasturbine. Die Leitschaufel 1 besteht aus einem Schaufelblatt 2, einem Schaufelfuss 3 und einer dazwischen angeordneten Plattform 4, von der aus sich das Schaufelblatt 2 integral erstreckt. Der Schaufelfuss 3 dient der Befestigung der Turbinenschaufel 1 in einem nicht dargestellten Turbinenrotor. Das Schaufelblatt 2 weist eine Druckseite 5 und eine (in Fig. 1 nicht sichtbare) Saugseite 6 auf, die an einer Austrittskante 7 und einer Eintrittskante 8 aneinandergrenzen. In Fig. 1 ist die Sicht auf die Druckseite 5 des Schaufelblattes 2 dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene II-II von Fig. 1, wobei die Innenkontur der Schaufel 1 mit dem internen Kühlungssystem aus Vereinfachungsgründen in Fig. 2 nicht abgebildet ist.
Auf Grund von Strömungsberechnungen werden drei verschiedene Profile, nämlich das Ausgangsprofil A (durchgezogene Linie), ein geändertes Profil B (gepunktete Linie) und ein weiteres geändertes Profil C (gestrichelte Linie) - siehe Fig. 2 - entworfen. Der Einfluss dieser verschiedenen Schaufelvorderkantengeometrien auf den Wirkungsgrad der Stufe soll nun untersucht werden im Vergleich zum Profil A sind bei den geänderten Profilen B und C verschiedene Eintrittswinkel α₁ und α₂ realisiert.
Es wird zunächst mittels bekannter Verfahren eine ausreichende Anzahl von Urschaufeln hergestellt mit einem Schaufelblatt 2, welches ein Ausgangsprofil A (Geometrie A) aufweist. Ausgehend von diesem vorhandenen Ausgangsprofil A werden nun die veränderten Profile B und C für die Schaufeln 1 hergestellt. Dazu verwendet man erfindungsgemäss die vorhandenen Urschaufeln mit einem Schaufelblatt 2 der Geometrie A und appliziert mittels Flammspritz-Verfahren die fehlenden Volumina der Geometrien B und C. Das aufgespritzte Material 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein metallisches Schutzschichtmaterial mit der Bezeichnung SV 20, welches folgende chemischen Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%): 25 Cr, 5.5 Al, 3 Si, 1 Ta, 0.5 Y, Rest Ni.
Als Flammspritz-Verfahren wird das bekannte Vakuum-Plasmaspritzverfahren (VPS) eingesetzt. Die Spritzparameter sind bekannt, da die Schaufeln üblicherweise mit derartigen Schutzschichtmaterialien beschichtet werden. Die Schichtdicke an der dicksten Stelle der aufgebauten Eintrittskante 8 beträgt 2,2 mm mit kontinuierlichen Übergängen zum vorhandenen Profil von 10 bis 20 mm Breite. Nach Abschleifen des seitlichen Oversprays und einer geeigneten Wärmebehandlung ist die Schaufel für einen Kurzzeitversuch einsetzbar.
Die geringere Festigkeit der Spritzschicht und die etwas höheren Materialtemperaturen wegen der grösseren Wanddicke durch die vorhandene Kühlung der Urschaufel können für einen kurzzeitigen Versuch unbeachtet bleiben.
Im Ergebnis der Turbinentestversuche kann die beste Variante bezüglich Eintrittskantenprofil festgestellt werden und anschliessend in die Produktion einfliessen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist sehr kostengünstig und in sehr kurzer Zeit realisierbar. Diese Methode ist besonders geeignet, da sie "weiche" kontinuierliche Übergänge in der Auftragsdicke schafft, beliebige Materialien einsetzbar sind und sich das aufzutragende Material 9 örtlich genau begrenzt an den richtigen Stellen platzieren lässt, ohne dass eine Nacharbeit notwendig wäre.
Mit diesem Verfahren können sowohl Metalle (Schaufelgrundmaterial, beispielweise eine Nickel-Basis-Superlegierung, Haftschichtmaterial und Schutzschichtmaterial, beispielsweise MCrAlY, wobei M für Metall, meist Ni oder Co, steht) als auch keramische Materialien, beispielsweise TBC (wie z. B. teilstabilisiertes ZrO₂ mit 8 Masse-% Y₂O₃) verwendet werden. Für das Metall gibt es dabei kaum Einschränkungen in der applizierbaren Dicke. Aus Festigkeitsgründen kann diese im Bereich von ca. 0.1 bis 3 mm liegen. Für das Aufbringen der keramischen TBC-Schichten sind bei unterschiedlichen Beschichtungsmethoden zwischen 0.1 und 10 mm Dicken machbar.
Sind genügend Urschaufeln mit dem Ausgangsprofil A vorhanden, so können Versuchsschaufeln mit dem Profil B bzw. C unabhängig voneinander hergestellt werden. Reicht die Anzahl der Urschaufeln dafür aber nicht aus, so werden zunächst Versuchsschaufeln mit dem Profil B wie oben beschrieben hergestellt. Nach dem erfolgten Testversuch wird dann das Schaufelblatt 2 in einem weiterem Verfahrensschritt abgeschliffen und anschliessend wird erneut örtlich gezielt Material 9 mittels Flammspritz-Verfahren aufgebracht. Auf diese Weise wird ein gegenüber dem ersten Versuchsprofil B verändertes Profil C der Versuchsschaufel realisiert und der Test kann fortgesetzt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können anstelle der eigens hergestellten Urschaufeln auch bereits vorhandene Produktionsschaufeln, gegebenenfalls sogar Ausschussschaufeln verwendet werden. Bezugszeichenliste 1 Schaufel
2 Schaufelblatt
3 Schaufelfuss
4 Plattform
5 Druckseite von Pos. 2
6 Saugseite von Pos. 2
7 Austrittskante
8 Eintrittskante
9 Material
A Ausgangsprofil
B geändertes Profil der Schaufel in einer ersten Variante
C geändertes Profil der Schaufel in einer zweiten Variante
α₁ Eintrittswinkel
α₂ Eintrittswinkel

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Versuchsschaufeln (1) für thermische Strömungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt mittels an sich bekannter Verfahren eine ein Ausgangsprofil (A) aufweisende Urschaufel mit einem Schaufelblatt (2) hergestellt wird, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt auf die Oberfläche des Schaufelblattes (2) dieser Urschaufel örtlich gezielt ein Material (9) mittels bekanntem Flammspritz-Verfahren aufgebracht wird, so dass ein geändertes Profil (B) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem erfolgten Testversuch der Versuchsschaufel (1) das Schaufelblatt (2) in einem weiteren Verfahrensschritt abgeschliffen wird, und anschliessend erneut örtlich gezielt ein Material (9) mittels bekanntem Flammspritz- Verfahren zwecks Erzeugung eines gegenüber dem ersten Versuchsprofil (B) veränderten Profiles (C) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Flammspritz-Verfahren metallische Materialien aufgebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, als metallisches Material Schaufelgrundmaterial aufgespritzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material Schutzschichtmaterial oder Haftschichtmaterial, insbesondere MCrAlY, aufgespritzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Flammspritz-Verfahren keramisches Material aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Urschaufel eine bereits vorhanden Produktionsschaufel verwendet wird.