DE102017204507A1 - Method for closing an opening of a turbine blade - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von einer Öffnung (7) einer Turbinenschaufel (1), mit den Schritten:- schichtweises Auftragen eines Grundwerkstoffes (14), aus dem die Turbinenschaufel (1) gefertigt ist, und eines Lotwerkstoffes (15), zum Verschließen der Öffnung (7), und- Hochtemperaturlöten der Turbinenschaufel (1).The invention relates to a method for closing an opening (7) of a turbine blade (1), comprising the steps of: - applying in layers a base material (14) from which the turbine blade (1) is made, and a brazing material (15) to Closing the opening (7), and high-temperature soldering of the turbine blade (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von einer Öffnung einer Turbinenschaufel.The invention relates to a method for closing an opening of a turbine blade.
Turbinen sind rotierende Strömungsmaschine, welche das Abfallen der inneren Energie eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in mechanische Leistung umwandeln, die sie über ihre Rotorwellen abgeben. Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung von Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt.Turbines are rotating turbomachines that convert the falling of the internal energy of a flowing fluid (liquid or gas) into mechanical power that they deliver via their rotor shafts. Part of its internal energy is removed from the fluid flow by the most turbulence-free laminar flow around turbine blades, which merges with the blades of the turbine. These are then used to set the turbine shaft in rotation.
Neben Laufschaufeln weist eine Turbine auch Leitschaufeln auf, die im Unterschied zu den Laufschaufeln fest im Gehäuse der Turbine verbaut und dazu ausgebildet sind, den Fluidstrom im optimalen Winkel auf die Laufschaufeln zu lenken.In addition to blades, a turbine also includes vanes, which, in contrast to the blades firmly installed in the housing of the turbine and are designed to direct the flow of fluid at the optimum angle to the blades.
Insbesondere die Laufschaufeln einer Turbine sind besonderen Belastungen ausgesetzt. Kritisch ist besonders eine hohe Betriebstemperatur in Kombination mit den Zugspannungen in Radialrichtung. In z.B. Gasturbinen machen die hohen Belastungen höchstbelastbare Werkstoffe erforderlich. Die Werkstoffe der Laufschaufeln begrenzen den Wirkungsgrad der Turbine, da sie nur eine begrenzte Betriebstemperatur erlauben. Häufig besitzen Turbinenschaufeln Kühlluftkanäle, die beispielsweise eine dünne Schicht Kühlluft über die Schaufeloberfläche erzeugen können. Das reduziert die effektive Oberflächentemperatur und entkoppelt sie etwas von der eigentlichen Heißgastemperatur nach der Brennkammer der Gasturbine. Turbinenschaufeln von z.B. Gasturbinen werden z.B. aus Nickel-Superlegierungen gefertigt.In particular, the blades of a turbine are exposed to special loads. Particularly critical is a high operating temperature in combination with the tensile stresses in the radial direction. In e.g. Gas turbines make the high loads highly resilient materials required. The materials of the blades limit the efficiency of the turbine, as they allow only a limited operating temperature. Often, turbine blades have cooling air passages that can, for example, create a thin layer of cooling air over the blade surface. This reduces the effective surface temperature and decouples it from the actual hot gas temperature to the combustion chamber of the gas turbine. Turbine blades of e.g. Gas turbines are used e.g. made of nickel superalloys.
Es kann erforderlich sein, z.B. nach dem Guss der Turbinenschaufel, Öffnungen, wie z.B. Bohrungen, zu verschließen. Jedoch lassen sich für Turbinenschaufeln erforderliche Werkstoffe nicht ohne weiteres verschweißen.It may be necessary, e.g. after casting the turbine blade, openings such as e.g. Holes, to close. However, materials required for turbine blades can not readily be welded.
Aufgabe der Erfindung ist es, Wege aufzuzeigen, wie derartige Öffnungen stoffschlüssig verschlossen werden können.The object of the invention is to show ways how such openings can be closed cohesively.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Verschließen von einer Öffnung einer Turbinenschaufel, mit den Schritten:
- - schichtweises Auftragen eines Grundwerkstoffes, aus dem die Turbinenschaufel gefertigt ist, und eines Lotwerkstoffes, zum Verschließen der Öffnung, und
- - Hochtemperaturlöten der Turbinenschaufel.
- layered application of a base material, from which the turbine blade is made, and a solder material, for closing the opening, and
- - High temperature soldering of the turbine blade.
Dabei werden abwechselnd Schichten aus dem Grundwerkstoff und dem Lotwerkstoff aufgebracht und anschließend hochtemperaturverlötet und so stoffschlüssig miteinander und mit der Turbinenschaufel verbunden. Hochtemperaturlöten ist ein Lötverfahren, das überwiegend zum Fügen von thermisch und mechanisch hochbelasteten Bauteilen aus Edelstahl, Nickel- und Kobaltlegierungen sowie auch Keramiken verwendet wird. Das Hochtemperaturlöten ist ein flussmittelfreies Lötverfahren, das bei Temperaturen von mehr als 900°C stattfindet. Die Lötverbindungen werden vornehmlich in geschlossenen Vakuumöfen oder in Schutzgasöfen mit Wasserstoff- oder Argonatmosphäre hergestellt. So kann auf überraschend einfache Weise eine Öffnung einer Turbinenschaufel verschlossen werden.In this process, layers of the base material and the brazing material are applied alternately and then subjected to high temperature brazing and thus bonded to one another and to the turbine blade. High-temperature soldering is a soldering process that is mainly used for joining thermally and mechanically highly stressed components made of stainless steel, nickel and cobalt alloys as well as ceramics. High temperature soldering is a fluxless soldering process that takes place at temperatures above 900 ° C. The solder joints are mainly produced in closed vacuum furnaces or in protective gas furnaces with hydrogen or argon atmosphere. Thus, an opening of a turbine blade can be closed in a surprisingly simple manner.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Öffnung vor dem schichtweisen Auftragen des Grundwerkstoffes (und des Lotwerkstoffes angesenkt, um eine Innenfläche zu bilden. Dabei wird unter Ansenken ein Bohrverfahren verstanden, das u.a. dem Entgraten und dem Erzeugen von Profilsenken mit einer kegelartigen Grundform dient. So kann das nachfolgende Beschichten mit dem Grundwerkstoff und dem Lotwerkstoff vereinfacht werden.According to one embodiment, prior to layering the base material (and brazing material), the opening is countersunk to form an inner surface, where countersinking is understood to mean a boring process that includes deburring and creating profile depressions having a cone-like basic shape subsequent coating with the base material and the solder material can be simplified.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Innenfläche der Öffnung vor dem Hochtemperaturlöten der Turbinenschaufel rotationsförmig beschichtet. Es wird also Material jeweils z.B. kegelstumpfmantelförmig auf die angesenkte Innenfläche der Öffnung aufgebracht. So kann besonders einfach die Beschichtung durchgeführt werden, bis die Öffnung mit den Materialen verschlossen ist.According to a further embodiment, the inner surface of the opening is coated in a rotational manner before the high-temperature soldering of the turbine blade. Thus, each material is e.g. truncated cone-shaped applied to the countersunk inner surface of the opening. This makes it particularly easy to apply the coating until the opening is closed with the materials.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird als Grundwerkstoff eine Superlegierung verwendet. Unter Superlegierungen, z.B. auf der Basis von Nickel, wie z.B. mit einer intermetallischen γ'-Phase, wie z.B. Alloy 247, werden dabei Legierungen mit einer besonderen Zusammensetzung verstanden, die speziell für Hochtemperaturanwendungen hergestellt werden. So kann insbesondere erreicht werden, dass das Material der Turbinenschaufel und das die Öffnung verschließende Material einen im Wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und so thermisch induzierte Spannungen reduziert sind.According to a further embodiment, a superalloy is used as the base material. Among superalloys, e.g. based on nickel, e.g. with a γ'-intermetallic phase, e.g. Alloy 247 is understood to mean alloys of a particular composition that are specifically manufactured for high temperature applications. Thus, it can be achieved, in particular, that the material of the turbine blade and the material occluding the opening have a substantially equal coefficient of thermal expansion and thus thermally induced stresses are reduced.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Grundwerkstoff mittels Laserstrahl-Auftragsschweißen aufgebracht. Dabei wird unter Laserstrahl-Auftragsschweißen ein Schweißverfahren verstanden, bei dem ein zusätzliches (artgleiches oder artfremdes) Material auf die Oberfläche eines Bauteils aufgebracht wird. Mit Hilfe des Laserstrahls wird dabei sowohl das Grundmaterial des Bauteils als auch das aufzutragende Zusatzmaterial - z.B. in Form von Draht oder Pulver - auf das Bauteil aufgeschmolzen.According to a further embodiment, the base material is applied by means of laser deposition welding. In this context, laser-beam build-up welding is understood to mean a welding process in which an additional (identical or foreign) material is applied to the surface of a component. With the help of the laser beam is thereby both the base material of the component as well as the additional material to be applied - eg in shape of wire or powder - melted onto the component.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Lötwerkstoff in Pulverform aufgebracht. Hierzu wird z.B. vorher der pulverförmige Lötwerkstoff elektrisch aufgeladen, um so seine Haftung zu verbessern.According to a further embodiment, the soldering material is applied in powder form. For this purpose, e.g. before the powdered solder material electrically charged, so as to improve its adhesion.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Turbinenschaufel ach dem schichtweisen Auftragen des Grundwerkstoffes und des Lotwerkstoffes wärmebehandelt. Somit wird nach einem Feinguss der Turbinenschaufel ohne Zwischenschaltung weiterer Schritte die Öffnung verschlossen und anschließend die Turbinenschaufel mit der verschlossenen Öffnung wärembehandelt. Unter Wärmebehandeln werden Verfahren zur Behandlung eines metallischen Werkstückes verstanden, bei denen das Werkstück in einem bestimmten, vorbestimmten Verlauf erwärmt und wieder abgekühlt wird, um Werkstoffeigenschaften zu verändern. Dabei können umgebende Mittel Änderungen der Zusammensetzung, z.B. des Kohlenstoff- oder Stickstoffgehaltes, oder des Kristallgitters herbeiführen. So kann das Wärmebehandeln mit dem Hochtemperaturlöten kombiniert, d.h. zeitgleich, durchgeführt werden.According to a further embodiment, the turbine blade is heat-treated after the layered application of the base material and the solder material. Thus, after an investment casting of the turbine blade without intervening further steps, the opening is closed and then the turbine blade with the closed opening is heat treated. Heat treatment is understood to mean processes for the treatment of a metallic workpiece, in which the workpiece is heated in a specific, predetermined course and cooled again in order to change material properties. In so doing, surrounding agents may include changes in composition, e.g. of the carbon or nitrogen content, or the crystal lattice. Thus, heat treatment can be combined with high temperature soldering, i. at the same time.
Ferner gehören zur Erfindung eine nach einem derartigen Verfahren gefertigte Turbinenschaufel und eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens zum Verschließen von einer Öffnung einer Turbinenschaufel.The invention further includes a turbine blade made by such a method and an apparatus for carrying out such a method for closing an opening of a turbine blade.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
-
1 in schematischer Darstellung eine Turbinenschaufel. -
2 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Verschließen von einer Öffnung der in1 gezeigten Turbinenschaufel. -
3 einen ersten Schritt eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Verschließen der in1 gezeigten Öffnung. -
4 einen zweiten Schritt des Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Verschließen der in1 gezeigten Öffnung. -
5 einen dritten Schritt des Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Verschließen der in1 gezeigten Öffnung.
-
1 a schematic representation of a turbine blade. -
2 a schematic representation of a device for closing of an opening of in1 shown turbine blade. -
3 a first step of an embodiment of a method for closing the in1 shown opening. -
4 a second step of the embodiment of a method for closing the in1 shown opening. -
5 a third step of the embodiment of a method for closing the in1 shown opening.
Es wird zunächst auf
Dargestellt ist eine Turbinenschaufel
Die Turbinenschaufel
Die Turbinenschaufel
Die Turbinenschaufel
An dem distalen Ende
Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die
Die Vorrichtung
Über Zuführleitungen kann der Grundwerkstoff
Die Beschichtungseinrichtung
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem aufgetragenen Grundwerkstoff
Mit der Beschichtungseinrichtung
Ferner kann die Vorrichtung
Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die
Um die Öffnung
In einem weiteren Schritt (siehe
In einem weiteren Schritt (siehe
So kann auf überraschend einfache Weise eine Öffnung
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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