DE68907881T2

DE68907881T2 - Herstellungs- oder Reparaturverfahren für einen integrierten Schaufelrotoraufbau.

Info

Publication number: DE68907881T2
Application number: DE89630224T
Authority: DE
Inventors: Donald Paul Achor; Robert Walter Baumgarten; Ralph Bromley Bogard; Raymond Michael Walker
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2009-12-15
Also published as: AU4616089A; EP0376874A2; CN1027388C; EP0376874A3; MX171965B; AU625036B2; BR8906744A; IL92723A0; CN1043974A; SA89100052B1; US4873751A; RU1819202C; IL92723A; JP2974703B2; JPH02271001A; EP0376874B1; DE68907881D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ersetzen einer Laufschaufel an einem integral beschaufelten Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines integral beschaufelten Rotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung und Reparatur von integral beschaufelten Rotoren. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf das Festkörperdiffusionsverbinden von Superlegierungen.
Gasturbinentriebwerke finden breite Verwendung und sind hoch entwickelte Generatoren von Energie, die hauptsächlich zum Flugzeugvortrieb verwendet werden. Ein Überblick über den Gasturbinentriebwerksbetrieb beinhaltet die Verdichtung von Luft auf einen Zustand hohen Druckes und hoher Temperatur in einem Verdichter, Einspritzen und Verbrennen von Brennstoff mit der verdichteten Luft und die Expansion der Verbrennungsprodukte in einem Turbinenabschnitt, welcher eine beträchtliche Menge der in den Verbrennungsprodukten vorhandenen Energie entnimmt. Der Turbinenabschnitt treibt den Verdichterabschnitt an und liefert in einigen Fällen auch nutzbare externe mechanische Energie.
In großen Gasturbinentriebwerken sind der Verdichterabschnitt und der Turbinenabschnitt axial durchströmt, und jede Stufe hat eine Scheibe, an deren Rand eine Vielzahl von Schaufelblättern befestigt ist. Die Laufschaufeln und die Scheibe bewegen sich, da die Scheibe auf einer umlaufenden Welle befestigt ist, und die Scheiben-Laufschaufel- Baugruppen sind sehr rauhen Umgebungen ausgesetzt.
Historisch sind Laufschaufel- und Scheibenbaugruppen aus separaten Bauteilen hergestellt worden, bei denen an einer Scheibe die Laufschaufeln mechanisch befestigt sind. Das gestattet zwar vorteilhafterweise, daß Laufschaufel und Scheibe aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, es trägt jedoch beträchtlich zu dem Gewicht der Baugruppe relativ zu einer einheitlichen, integral beschaufelten Rotorbaugruppe bei.
Die Steigerungen der Leistungsanforderungen an Gasturbinentriebwerke, insbesondere Militärgasturbinentriebwerke, führen zu der Einführung von integral beschaufelten Rotoren, bei denen die Laufschaufeln integraler Bestandteil des Rotors und entweder integral mit der Scheibe ausgebildet oder metallurgisch mit der Scheibe verbunden sind. Dadurch wird das Gewichtsdefizit reduziert, das auf die bekannten mechanischen Verbindungsschemata zurückzuführen ist.
Eine Scheibe- und Laufschaufelbaugruppe könnte üblicherweise eine einzelne Scheibe aufweisen, an der etwa 100 Laufschaufeln befestigt sind. Bei dem bekannten Zusammenbauverfahren, bei dem mechanische Verbindungstechniken benutzt werden, war es relativ einfach und unkompliziert, beschädigte Laufschaufeln zu ersetzen, und zwar einfach durch Entfernen der beschädigten Laufschaufel und durch Ersetzen derselben durch eine identische, unbeschädigte Laufschaufel. Offenbar sind in der neuen Umgebung von integral beschaufelten Rotoren solche Reparaturen weit davon entfernt, einfach zu sein. In den Verdichter- und Turbinenabschnitten von Gasturbinentriebwerken werden die Laufschaufeln und Scheiben an den äußeren Grenzen der Möglichkeiten ihrer Eigenschaften betrieben, und zwar sowohl hinsichtlich Beanspruchung als auch hinsichtlich Temperatur. Das bedeutet, daß jede Reparaturtechnik Reparaturen produzieren muß, die die Festigkeit des Muttermetalls, üblicherweise des Laufschaufelmaterials, haben müssen. Andere Forderungen hinsichtlich Dauerfestigkeit, Bruchfestigkeit und dgl. müssen ebenfalls erfüllt werden.
Die Notwendigkeit von Reparaturen kann sich sowohl im Betrieb als auch bei der anfänglichen Herstellung von Scheiben- und Laufschaufelbaugruppen ergeben. Im Betrieb ist es offensichtlich, daß ein Schaden die vielfältigsten Quellen haben kann, und auch im Laufe der Fabrikation sind die Aussichten ziemlich gut, daß von 100 Laufschaufeln, die üblicherweise an einer einzelnen Scheibe montiert werden, eine oder mehrere irgendeinen Defekt haben werden.
Es gibt außerdem einen Bedarf an einem Verfahren zum anfänglichen Fabrizieren von integral beschaufelten Rotoren durch Verbinden von individuellen Laufschaufeln mit einer Scheibe. Infolgedessen ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Reparieren von integral beschaufelten Rotoren anzugeben. Es ist weiter Ziel der Erfindung, eine Technik anzugeben, die zur Fabrikation von integral beschaufelten Rotoren benutzt werden kann.
Die US-A-4 736 504 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von beschaufelten Scheiben für Turbinen durch Preßverschweißen von äußeren Schaufelblattelementen mit inneren Schaufelblattelementen an einer Scheibe, das durch das Vorsehen von Flanschen überschüssigen Schweißwulstmaterials an den äußeren und inneren Schaufelblattelementen gekennzeichnet ist, die Ausrichtlöcher für Paßstifte haben, welche die Ausrichtung der Vorder- und Hinterkanten der Schaufelblattelemente während des Preßverschweißens gewährleisten, gefolgt von dem Entfernen des überschüssigen Schweißwulstmaterials und der beteiligten Paßstifte.
Das Verfahren zum Ersetzen einer Laufschaufel an einem integral beschaufelten Rotor ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert, und das Verfahren zum Herstellen eines integral beschaufelten Rotors ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 definiert.
Gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird eine beschädigte Laufschaufel durch spanabhebende Bearbeitung entfernt, wobei ein vorstehender Stumpf an dem Scheibenrand zurückbleibt. Eine Reparaturlaufschaufelbaugruppe wird geschaffen, welche die erforderlichen Abmessungen hat. Die Reparaturlaufschaufelbaugruppe hat außerdem einen Umfangsbund benachbart zu dem Teil der Laufschaufel, der mit dem Stumpf zu verbinden ist.
Der Reparaturprozeß wird unter Hochvakuumbedingungen ausgeführt. Die Reparaturlaufschaufel wird an dem Stumpf positioniert, und eine mechanische Kraft wird ausgeübt, um das Laufschaufelende und den Stumpf in innigen gegenseitigen Kontakt zu drücken. Die Kraft wird auf die Laufschaufel durch ein Werkzeug ausgeübt, welches auf den vorspringenden Bund einwirkt. Während die Kraft zwischen der Laufschaufel und dem Stumpf ausgeübt wird, wird die Verbindung bis auf eine relativ hohe Temperatur lokal durch eines von mehreren Verfahren erhitzt, zu denen Widerstands-, Induktions-, Strahlungs- und Elektronenstrahlerhitzung gehören. Die Widerstandserhitzung ist aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen erwünscht.
Die Verbindungstemperatur und die Kraft werden so eingestellt und gesteuert, daß eine metallurgische Verbindung zwischen der Laufschaufel und dem Stumpf erzeugt wird. Am Ende des Verbindungsprozesses wird der Bund durch spanabhebende Bearbeitung von der Laufschaufel entfernt, ebenso wie jedwedes Material, das während des Verbindungsprozesses aus der Verbindungsstelle ausgetreten ist.
Dieser Reparaturprozeß kann auch benutzt werden, um von Anfang an integral beschaufelte Rotoren herzustellen.
Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
Fig. 1 zeigt einen integral beschaufelten Rotor mit einer beschädigten Laufschaufel.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der beschädigten Laufschaufel.
Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Laufschaufelreparatur.
Die Fig. 4a und b sind Schliffbilder, welche Mikrogefüge zeigen, die sich auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, welche die Reparaturausführungsform der Erfindung speziell veranschaulichen. Fig. 1 zeigt eine integral beschaufelte Rotorbaugruppe, die eine beschädigte Laufschaufel 1 hat. Fig. 2 ist eine fragmentarische Ansicht eines Teils von Fig. 1, die die beschädigte Laufschaufel 1 umfaßt. Die strichpunktierte Linie 10 in Fig. 2 bezeichnet die vorgesehene Reparaturverbindungsstelle. Die Reparaturverbindungsstelle wird so ausgewählt, daß sie von dem beschädigten Bereich 12 deutlich entfernt ist, gleichzeitig sollte sie aber nahe bei der Scheibenoberfläche 14 sein, so daß sich ein Stumpf 16 ergibt. Eine typische Stumpfhöhe könnte 2,5 bis 5,0 mm (0,1 bis 0,2 Zoll) betragen. Das Entfernen des beschädigten Teils der Laufschaufel kann durch irgendeine herkömmliche Technik erfolgen, wozu mechanische spanabhebende Bearbeitung, Drahtfunkenerosion und dgl. gehören. Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht, die den Stumpf 16 und die Reparaturlaufschaufel 18 sowie das Laufschaufeleinspannwerkzeug 40 zeigt. Bemerkenswerte Merkmale der Reparaturlaufschaufel 18 sind, daß ihr Querschnitt dem Querschnitt der beschädigten Laufschaufel 1 insgesamt angepaßt ist und daß die Reparaturlaufschaufel 18 einen Bund 30 an ihrem Umfang in relativ enger Nähe zu der vorgesehenen Verbindungsstelle hat. Die Reparaturlaufschaufel 18 hat einen Querschnitt an der Verbindungsstelle, der das Spiegelbild des Querschnitts des Stumpfes 16 ist. In einer Produktionsumgebung wird es zweifelsohne mehrere Standardreparaturlaufschaufelkonfigurationen geben, die gewählt werden könnten, um eine Vielfalt von Reparaturerfordernissen zu erfüllen.
Die Form und die Lage des Bundes 30 fördern die gleichmäßige Erhitzung und Verformung. Der Bund 30 (der vorzugsweise geradlinige oder ebene Merkmale hat), welcher in Verbindung mit dem passenden Laufschaufeleinspannwerkzeug 40 arbeitet, gestattet gleichmäßigen elektrischen Kontakt (der im Falle von elektrischer Widerstandserhitzung notwendig ist) zwischen dem Werkzeug 40 und der Laufschaufel 18 aufgrund der Einfachheit der Befestigung an der geraden und ebenen Bundoberfläche im Gegensatz zu dem Versuch, gleichmäßigen Kontakt längs einer komplexen, konturierten Schaufelblattoberfläche herzustellen. Das gewährleistet einen gleichmäßigen elektrischen Stromfluß durch die Verbindungszone auf der vollständigen Breite (von der Vorderkante bis zur Hinterkante) des Schaufelblattes, wodurch eine gleichmäßige Temperatur gefördert wird, und zwar trotz der veränderten Dicken der Laufschaufel. Der Bund 30 paßt vorzugsweise in eine entsprechende Ausnehmung 42 in dem Blatteinspannwerkzeug, was aufgrund des guten Kontakts über seiner Länge als eine effiziente Wärmeübertragungsstelle in der Nähe der Verbindungszone dienen kann und hilft, das Hochtemperaturgebiet örtlich zu begrenzen. Die Abfuhr der Wärme, die von dem Laufschaufelbund 30 auf das Laufschaufeleinspannwerkzeug 40 übertragen wird, erfolgt durch strategisch angeordnete Wasserkühlkanäle 44, die sich unterhalb der (oder um die) Oberflächen des Verbindungswerkzeuges befinden, welche mit dem Laufschaufelbund 30 in Kontakt und so ausgebildet sind, daß die bauliche Integrität des Laufschaufelverbindungswerkzeuges nicht durch übermäßige Temperaturen reduziert wird. Gleichzeitig muß das Werkzeug 40 stabil genug sein, um sich während des Verbindens einer Verformung zu widersetzen.
Die Wasserkühlung hält den aus dem Bund 30 gebildeten Teil des Ersatzschaufelblattes 18 auf einer Temperatur unterhalb des Punktes, an dem die Festigkeit der Legierung eine Verformung gestatten würde. Der Bund bleibt somit während des gesamten Verbindungszyklus abmessungsmäßig genau und stabil.
Der Bund 30, der sich nahe der Verbindungszone befindet, gestattet eine wirksame Übertragung der Kraft F, die zum Verbinden ohne plastische Verformung entfernt von der Verbindungsstelle, d.h. ohne Verbiegen oder Knicken des übrigen Schaufelblattes, notwendig ist. Das ist ein kritisches Merkmal für Verwendungszwecke, bei denen der Schaufelblatteil jenseits des Bundes die fertige Form hat (spanabhebend fertigbearbeitet ist). Das trägt außerdem zur Abmessungsgenauigkeit des Prozesses bei.
Der Bund 30 kann einen Übergang von der komplexen, veränderlichen Dicke der Schaufelblattform (die schwierig von Teil zu Teil anpaßbar ist) zu einer vereinfachten Form schaffen, die ebene Oberflächen (sowohl in Axial- als auch in Querrichtung) aufweist, welche während der Reparaturschaufelfabrikation leicht spanabhebend bearbeitet und leicht in oder an dem Schaufeleinspannwerkzeug 40 während des Herstellens der Schaufelverbindung auf eine reproduzierbare Weise gehalten werden können.
Der Bund 30 hat deshalb genaue Paßflächen 42, die sich einfach einrichten lassen, und diese werden zu idealen Merkmalen in einem automatisierten Produktionssystem zur Fabrikation von neuen integral beschaufelten Rotoren, bei denen einzelne Schaufeln während eines Fabrikationsvorganges, der unter einem Vakuumzyklus ausgeführt wird, sequentiell in das Schaufelverbindungswerkzeug geladen werden können.
Die Vorbereitung zum Verbinden beinhaltet die Behandlung der vorgesehenen Verbindungsflächen, um das Verbinden zu erleichtern. Das beinhaltet hauptsächlich das Entfernen von allen Fremdmaterialien einschließlich Schmutz, Fett, Öl, usw. und von Oberflächenoxiden. Diese Oberflächenvorbereitung kann durch eine Vielfalt von Techniken erfolgen, üblicherweise durch einen mechanischen Oberflächenschleifschritt gefolgt von einem chemischen Ätzschritt.
Das Verbinden wird üblicherweise in einem Hochvakuum von 133 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup5; mm Hg) unter Temperatur- und Druckbedingungen ausgeführt, die ausreichen, um das Metall zum Fließen zu bringen. Diese Bedingungen werden offenbar in Abhängigkeit von den Materialien, welche im einzelnen beteiligt sind, variieren. Bei typischen Superlegierungen werden jedoch die Temperaturen in der Größenordnung von 1038 ºC - 1149 ºC (1900 ºF - 2100 ºF) liegen, und die Drücke werden in der Größenordnung von 103,4 MPa (15 ksi) liegen. Bei dem Verbinden von Laufschaufeln üblicher Größe, die z.B. eine Länge zwischen 5,0 und 7,5 cm (2 und 3 Zoll) haben, wird es zweckmäßig sein, eine Stauchung oder Verkürzung der Reparaturschaufel und des Stumpfes in der Größen-Ordnung von 1,27 mm (0,05 Zoll) während des Verbindens vorzusehen, um einen ausreichenden Metallfluß zu gewährleisten und sicher sein zu können, daß die Verbindung erfolgt ist. Die Verformung kann auch anhand der Vergrößerung des Querschnittes an der Verbindungsstelle während des Verbindungsprozesses gemessen oder abgeschätzt werden. In diesem Fall wird eine Vergrößerung des Verbindungsguerschnitts von wenigstens 50 % und vorzugsweise von wenigstens 100 % gewährleisten, daß eine echte metallurgische Verbindung tatsächlich erfolgt ist.
Anschließend an den Verbindungsprozeß kann das Teil aus der Verbindungsvorrichtung entfernt werden, und der vorstehende Bund und jedwedes gestauchte Material, das aus der Verbindungsstelle ausgetreten ist, können von der Laufschaufel durch herkömmliche spanabhebende Techniken entfernt werden. Anschließend an diesen Prozeß der spanabhebenden Bearbeitung kann derjenige Teil der Laufschaufel, der verbunden worden ist, lokal wärmebehandelt werden, um ausreichende mechanische Eigenschaften zu gewährleisten.
Fig. 4 veranschaulicht die bemerkenswerte Verbindungsintegrität, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verfügbar ist. Fig. 4 zeigt zwei Mikrogefüge, die von einem Reparaturblock stammen, welcher erfindungsgemäß verbunden worden ist. Das Material ist dasjenige, das als IN100 bekannt ist (nominell 10 % Cr, 15 % Co, 3 % Mo, 5,5 % Al, 4,7 % Ti, 0,18 % C, 0,014 % B, 0,06 % Zr, 1 % V, Rest Ni). Fig. 4a zeigt das Mikrogefüge an der Reparaturschaufelspitze (entfernt von der Verbindungszone), wogegen Fig. 4b das Mikrogefüge an der Verbindungszone oder Verbindungslinie zeigt. Das Material nach Fig. 4b wurde bei 1010 ºC (1850 ºF) mit 103,4 MPa (15 ksi) verbunden und dann wärmebehandelt bei 1130 ºC (2065 ºF) eine Stunde (Lösungsglühbehandlung), bei 760 ºC (1400 ºF) eine Stunde (Aushärtung) und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Beide Figuren sind Schliffbilder, die mit 1000-facher Vergrößerung aufgenommen worden sind, und die Ähnlichkeit ist beeindruckend. Gleichermaßen bedeutsam ist, daß die Verbindungslinie in Fig. 4b nicht wahrnehmbar ist. Die Gleichmäßigkeit des Mikrogefüges an der Verbindungslinie deutet darauf hin, daß das reparierte Teil Eigenschaften haben wird, die denjenigen eines Originalteils äguivalent sind, und mechanische Tests bestätigen das.
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch klar, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können.

Claims

1. Verfahren zum Ersetzen einer Laufschaufel an einem integral beschaufelten Rotor, welcher eine Scheibe aufweist, die eine Vielzahl von integralen Laufschaufeln hat, welche von dem Rand der Scheibe vorstehen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Entfernen einer bereits vorhandenen Laufschaufel, so daß ein flanschloser Stumpf (16), ein Teil der bereits vorhandenen Laufschaufel, zurückbleibt, der von dem Scheibenrand vorsteht, wobei der flanschlose Schaufelstumpf (16) eine Stirnfläche hat, die eine Oberfläche bildet, mit der eine Ersatzschaufel verbunden wird;

b) Positionieren einer Ersatzschaufel an dem flanschlosen Stumpf (16), wobei die Ersatzschaufel einen Umfangsbund (30) an ihrem Umfang benachbart zu der vorgesehenen Verbindungsstelle hat und wobei die benachbarten Oberflächen des flanschlosen Stumpfes (16) und des Ersatzteils eine vorgesehene Verbindungsstelle bilden;

c) Ausüben einer Kraft zwischen dem Stumpf (16) und der Ersatzschaufel, wobei die Kraft auf die Ersatzschaufel über den Bund (30) ausgeübt wird, ohne irgendeine nennenswerte Belastung über die Spitze der Laufschaufel auszuüben;

d) lokales Erhitzen der vorgesehenen Verbindungsstelle zwischen dem Stumpf und der Ersatzschaufel auf eine Temperatur, die Erweichen, Metallfluß und Verbinden bewirkt;

e) Entfernen des Bundes (30) von der Ersatzschaufel durch spanabhebende Bearbeitung.

2. Verfahren zum Herstellen eines integral beschaufelten Rotors, welcher eine Scheibe aufweist, die eine Vielzahl von integralen Laufschaufeln hat, welche von dem Rand der Scheibe vorstehen, beinhaltend die Schritte:

a) Schaffen einer Scheibe, die eine Vielzahl von vorstehenden Stümpfen (16) hat;

b) Schaffen einer Vielzahl von Schaufelvorformlingen (18), wobei jeder Vorformling einen Umfangsbund (30) an seinem Umfang hat, und Ausrichten des Schaufelvorformlings an einem Stumpf (16);

c) Ausüben einer Kraft zwischen dem Stumpf (16) und dem Schaufelvorformling (18);

d) Verbinden des Stumpfes (16) mit dem Schaufelvorformling (18);

e) Entfernen des Bundes (30) von der Laufschaufel durch spanabhebende Bearbeitung;

f) Wiederholen der Schritte "c", "d" und "e", bis an allen Stümpfen (16) Laufschaufeln (l8) befestigt worden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schritt a) Stümpfe (16) geschaffen werden, die flanschlos sind; daß in dem Schritt (c) die Kraft zwischen dem Stumpf (16) und dem Schaufelvorformling (18) über den Bund (30) ausgeübt wird, wobei sich der Bund (30) an der vorgesehenen Verbindungsstelle befindet; und daß der Verbindungsschritt d) ausgeführt wird durch lokales Erhitzen der vorgesehenen Verbindungsstelle zwischen dem Stumpf (16) und dem Schaufelvorformling (18) auf eine Temperatur, die Erweichung, Metallfluß und Verbinden bewirkt, um das Verbinden zu bewirken, und anschließendes Abkühlenlassen der Verbindung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt "e" an mehreren Laufschaufeln (18) ausgeführt wird, nachdem die mehreren Laufschaufeln (18) mit Stümpfen (16) verbunden worden sind.