DE102013226217A1

DE102013226217A1 - Reparatur von Gasturbinenkomponenten unter Verwendung von Ausschussteilen

Info

Publication number: DE102013226217A1
Application number: DE102013226217.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Gindorf; Stefan Krause; Oliver Lüsebrink
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung führt ein Verfahren für die Reparatur einer Gasturbinenkomponente (120, 130) ein. Dabei wird die Gasturbinenkomponente (120, 130) auf ein Vorliegen von Mängeln untersucht und ein Bereich der Gasturbinenkomponente (120, 130) als Mangelstelle identifiziert. Der als Mangelstelle identifizierte Bereich wird aus der Gasturbinenkomponente (120, 130) entfernt, wenn in dem Bereich eine über ein vorbestimmtes Maß hinausgehende Beschädigung erkannt wird. Erfindungsgemäß wird dann ein Vorrat an Ausschussgasturbinenkomponenten (120, 130) durchsucht, bis eine Ersatzteilkomponente (120, 130) gefunden wird, bei der eine Ersatzstelle der Ersatzteilkomponente (120, 130) ein Qualitätskriterium erfüllt. Die gefundene Ersatzstelle wird aus der Ersatzteilkomponente (120, 130) entfernt und in die zu reparierende Gasturbinenkomponente (120, 130) eingefügt. Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft eine Turbinenschaufel (120, 130) für eine Gasturbine (100). Erfindungsgemäß weist ein erster Bereich einer Anströmkante (409) oder einer Schaufelspitze (415) der Turbinenschaufel (120, 130) und ein zweiter Bereich eines Schaufelfußes (183) der Turbinenschaufel (120, 130) eine gleiche Formgebung auf.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Reparatur einer Gasturbinenkomponente und eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine.
Technischer Hintergrund
Bestimmte Komponenten von Gasturbinen, die im Betrieb der Gasturbine schnellströmenden, heißen und chemisch aggressiven Gasen ausgesetzt sind, weisen nach einer gewissen Betriebsdauer Beschädigungen auf, die durch regelmäßige Wartungen erkannt und behoben werden sollen. Solche Schädigungen können beispielsweise Alterung, Abrieb oder Risse in bestimmten besonders beanspruchten Bereichen der Komponenten sein. Typische Beispiele betroffener Gasturbinenkomponenten sind Lauf- oder Leitschaufeln, die insbesondere im Bereich ihrer Anströmkanten und Spitzen stark belastet werden. Da konventionell gegossene Werkstücke den hohen Temperaturen sowie den chemischen und mechanischen Beanspruchungen beim Betrieb der Gasturbine nicht standhalten können, werden die stark belasteten Komponenten insbesondere im Gaspfad der Gasturbine einteilig und häufig aus Superlegierungen mit einkristallinen (Single-Crystalline, SX), gerichtet erstarrten (Directionally-Solidified, DS) oder auch äquiaxial (Equi-Axed, EA) erstarrten Gefügen gefertigt. Diese Fertigungsverfahren sind sehr aufwendig, zudem müssen die fertigen Gasturbinenkomponenten sehr enge Toleranzen weit unterhalb eines Millimeters einhalten, so dass jedes Stück einzeln durch zerstörungsfreie Testverfahren wie Ultraschalluntersuchungen auf seine Eignung untersucht werden muss. Dabei wird eine große Zahl von maßlichen oder metallurgischen Ausschusskomponenten aussortiert. Dies führt dazu, dass die hier diskutierten Gasturbinenkomponenten sehr kostspielig sind.
Um die Kosten für den Betrieb zu senken, soll ein Austausch der beschädigten Komponenten möglichst vermieden werden. Hierzu wurden verschiedene Reparaturverfahren wie das Laserauftragsschweißen vorgeschlagen, mit dem jedoch nur Schichten aufgetragen werden können, die mit den Eigenschaften konventionell gegossener Komponenten vergleichbar und damit nicht den SX/DS Eigenschaften entsprechen. Beim Laserauftragsschweißen kommt der hohe Zeitaufwand für die Reparatur und die relativ hohen Kosten erschwerend hinzu. Reparaturverfahren, die die epitaktische Struktur der Komponente wiederherstellen beziehungsweise nachbilden, sind in Entwicklung, werden aber aufgrund des enormen zu betreibenden Aufwandes auf absehbare Zeit sehr kostspielig bleiben. Ferner werden Hartlötverfahren verwendet, bei denen Teile der Komponenten durch eigens gefertigte Einsatzstücke ersetzt werden. Diese Einsatzstücke müssen als einkristalline Werkstücke hergestellt werden, wobei für einen Reparaturerfolg sehr geringe geometrische und kristallographische Abweichungen von der zu reparierenden Gasturbinenkomponente eingehalten werden müssen. Auch dieses Reparaturverfahren ist daher sehr kostspielig.
Aus den genannten Gründen werden zahlreiche Gasturbinenkomponenten im Zuge der regelmäßigen Wartung als Ausschuss ausgesondert und durch neue Gasturbinenkomponenten ersetzt. Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, ein preiswertes Reparaturverfahren für Gasturbinenkomponenten mit verbesserten Eigenschaften der Reparaturstellen einzuführen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung führt daher ein Verfahren für die Reparatur einer Gasturbinenkomponente ein. Dabei wird die Gasturbinenkomponente auf ein Vorliegen von Mängeln untersucht und ein Bereich der Gasturbinenkomponente als Mangelstelle identifiziert. Der als Mangelstelle identifizierte Bereich wird aus der Gasturbinenkomponente entfernt, wenn in dem Bereich eine über ein vorbestimmtes Maß hinausgehende Beschädigung erkannt wird. Erfindungsgemäß wird dann ein Vorrat an Ausschussgasturbinenkomponenten durchsucht, bis eine Ersatzteilkomponente gefunden wird, bei der eine Ersatzstelle der Ersatzteilkomponente ein Qualitätskriterium erfüllt. Die gefundene Ersatzstelle wird aus der Ersatzteilkomponente entfernt und in die zu reparierende Gasturbinenkomponente eingefügt.
Das Verfahren der Erfindung schlägt vorteilhaft eine Verwertung von bei vorhergehenden Wartungsvorgängen oder bereits bei der Fertigung aussortierten Gasturbinenkomponenten dergestalt vor, dass aus einer solchen Gasturbinenkomponente eine Ersatzstelle als Einsatzstück für die zuvor aus der zu reparierenden Gasturbinenkomponente entfernten Mangelstelle herausgetrennt und das herausgetrennte Einsatzstück in die zu reparierende Gasturbinenkomponente eingefügt wird. Hierfür kann beispielsweise ein Hartlötverfahren verwendet werden. Die Ersatzstelle kann beispielsweise durch Fräsen aus der Ersatzteilkomponente herausgetrennt werden. Das Prüfen des Qualitätskriteriums kann mit einem zerstörungsfreien Prüfverfahren erfolgen. Das Qualitätskriterium kann insbesondere dann erfüllt sein, wenn keine Schäden oder Mängel wie Kristall- oder Gussfehler, Risse oder unpassende geometrische Formen im Bereich der Ersatzstelle gefunden werden.
Die Verwendung von aussortierten Gasturbinenkomponenten als Materialspender für die Ersatzstelle führt zu einem einfach zu fertigenden, preiswerten und kristallographisch wie materialtechnisch kompatiblem Einsatzstück. Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die zu reparierende Gasturbinenkomponente und die Ersatzteilkomponente funktional entsprechende Komponenten sind, also für den gleichen oder einen sehr ähnlichen Einsatzzweck und vorzugsweise für dasselbe Gasturbinenmodell gefertigt wurden. Beispielsweise kann die Gasturbinenkomponente eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer Gasturbine sein. Ebenso kann die Ersatzteilkomponente eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer Gasturbine sein. Besonders gute Ergebnisse werden dabei erzielt, wenn sowohl die zu reparierende Gasturbinenkomponente, als auch die Ersatzteilkomponente entweder Lauf- oder Leitschaufeln sind.
Die Ersatzstelle kann sich an einem Schaufelfuß der Ersatzteilkomponente befinden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Ersatzteilkomponente eine bereits betriebene und im Zuge von Wartungsarbeiten wegen Beschädigungen aussortierte Gasturbinenkomponente ist, weil der Schaufelfuß einer Turbinenschaufel für die Verankerung der Turbinenschaufel verwendet wird und im Betrieb nicht in Berührung mit den heißen Gasen kommt. Deshalb ist am Schaufelfuß keine Beeinträchtigung der Turbinenschaufel zu erwarten, so dass hier Ersatzstellen besonders guter Qualität gewonnen werden können.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ersatzstelle der Ersatzteilkomponente örtlich der Mangelstelle der zu reparierenden Gasturbinenkomponente entspricht. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn die Ersatzteilkomponente die Qualitätskontrollen bei der Fertigung nicht überstanden hat und daher niemals betrieben worden ist. Sofern der Mangel, dessen wegen die Ersatzteilkomponente aussortiert worden war, nicht die Ersatzstelle betrifft (was durch Prüfen des Qualitätskriteriums im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens sichergestellt wird), kann ein optimal passendes Einsatzstück für die Reparatur der Gasturbinenkomponente gewonnen werden.
Die beste kristallographische Übereinstimmung zwischen dem Einsatzstück und der zu reparierenden Gasturbinenkomponente wird erreicht, wenn die Gasturbinenkomponente und der Vorrat an Ausschussgasturbinenkomponenten aus derselben Fertigungscharge stammen, da hierbei identische oder wenigstens sehr ähnliche Kristall- und Materialeigenschaften zu erwarten sind. Dies ist besonders bei einkristallinen und gerichtet erstarrten Gasturbinenkomponenten vorteilhaft.
Alle Verfahrensvarianten werden vorzugsweise für die Reparatur von einteiligen Gusskörpern verwendet, das heißt, die Gasturbinenkomponente und die Ersatzteilkomponente sind vorzugsweise einteilige Gusskörper. Demzufolge können die Mangelstelle und die Ersatzstelle nicht zerstörungsfrei aus den jeweiligen Komponenten entnommen werden.
Die Gasturbinenkomponente und die Ersatzteilkomponente sind vorzugsweise einkristallin, gerichtet oder äquiaxial erstarrte Gusskörper.
Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine und mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß. Dabei weist das Schaufelblatt eine Anströmkante, eine Abrisskante und eine die Anströmkante mit der Abrisskante verbindende und dem Schaufelfuß gegenüberliegende Schaufelspitze auf. Erfindungsgemäß weist ein erster Bereich der Anströmkante oder der Schaufelspitze einerseits und ein zweiter Bereich des Schaufelfußes eine gleiche Formgebung auf.
Die diesem Erfindungsaspekt zugrundeliegende Idee ist, ausgehend von dem erfindungsgemäßen Reparaturverfahren die Formgebung der Turbinenschaufeln eines Gasturbine so anzupassen, dass besonders leicht passende Einsatzstücke für die Turbinenschaufel gewonnen werden können. Die Erfindung schließt hierbei die Erkenntnis mit ein, dass eine Änderung der Formgebung der Turbinenschaufel am Schaufelfuß, der üblicherweise geradkantig ausgestaltet ist und lediglich der Verankerung der Turbinenschaufel in der Gasturbine sowie dem Anschluss der Kühlkanäle der Turbinenschaufel dient, am ehesten möglich ist, ohne die Eigenschaften der Turbinenschaufel zu beeinträchtigen. So ist die Formgebung im Bereich des Schaufelblattes aerodynamisch optimiert und bereits kleinste Änderungen würden das Strömungsverhalten des heißen Gases um die Turbinenschaufel und damit den Wirkungsgrad der Gasturbine beeinträchtigen. Der Schaufelfuß kann hingegen so ausgestaltet werden, dass an ihm Bereiche vorgesehen werden, deren Formgebung der der erfahrungsgemäß am meisten beanspruchten Bereiche des Schaufelblattes, beispielsweise der Anströmkante und/oder der Schaufelspitze, wiederfinden. Diese Bereiche von Ausschusskomponenten können dann mit besonders geringem Aufwand zu Einsatzstücken umgearbeitet werden. Befindet sich die Ersatzstelle am Schaufelfuß, ist auch denkbar, dass die zu reparierende Gasturbinenkomponente und die Ersatzteilkomponente dieselbe Komponente sind, das Schaufelblatt der zu reparierenden Gasturbinenkomponente also nach Entfernung der Mangelstelle durch Entnahme eines Bereiches des Schaufelfußes der zu reparierenden Gasturbinenkomponente wieder ergänzt und der Schaufelfuß anschließend durch Anwendung eines herkömmlichen Reparaturverfahrens, das für einen Betrieb in Kontakt mit dem Gaspfad der Gasturbine unzureichende Ergebnisse erreicht, wieder vervollständigt wird.
Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel der erste und der zweite Bereich der Turbinenschaufel räumlich gleich ausgerichtet. Diese Übereinstimmung der räumlichen Ausrichtung der beiden Bereiche bewirkt, dass auch die Orientierung des Kristalls innerhalb der beiden Bereiche übereinstimmt, so dass sich das aus dem Schaufelfuß gewonnene Einsatzstück kristallographisch optimal in die zu reparierende Turbinenschaufel einfügt.
Insbesondere können bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ein erster Kühlmittelkanal in dem ersten Bereich und ein zweiter Kühlmittelkanal in dem zweiten Bereich gleiche Durchmesser, Querschnitte oder Orientierungen aufweisen. Dies ermöglicht es, einen im Bereich der Mangelstelle verlaufenden Kühlmittelkanal identisch und ohne zusätzlichen Aufwand nachzubilden, was eine Erhöhung des Strömungswiderstandes des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal verhindert.
Insbesondere kann ein erster Krümmungsradius des ersten Bereichs gleich einem Krümmungsradius des zweiten Bereichs sein. Da die am meisten belasteten Bereiche eines Schaufelblattes üblicherweise die gekrümmte Anströmkante und die geschwungene Schaufelspitze sind, wird vorzugsweise von der gewöhnlich geradkantig ausgeführten Form des Schaufelfußes abgewichen und die Krümmungen der genannten Bereiche am Schaufelfuß nachgebildet.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Beispiel einer Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt;
2 eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbine in perspektivischer Ansicht;
3 eine Brennkammer einer Gasturbine;
4 ein Beispiel eines Schaufelfußes einer Turbinenschaufel in einer Querschnittsdarstellung;
5 ein Beispiel eines Schaufelblattes einer Turbinenschaufel in einer Querschnittsdarstellung; und
6 einen Schaufelfuß eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel in einer Querschnittsdarstellung.
Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
Die 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abström- oder Abrisskante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie wenigstens teilweise hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die 3 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
4 zeigt ein Beispiel eines Schaufelfußes 183 einer Turbinenschaufel 120, 130 in einer Querschnittsdarstellung. Im Inneren des Schaufelfußes 183 verlaufen mehrere Kühlmittelkanäle für ein Kühlmittel, beispielsweise für verdichtete Luft, von denen in der Schnittebene der Darstellung beispielhaft drei Kühlmittelkanäle anhand ihrer Querschnitte 420 dargestellt sind. Naturgemäß kann eine abweichende Anzahl von Kühlmittelkanälen mit für den jeweiligen Anwendungsfall hinsichtlich Form und Durchmesser angepassten Querschnitten vorgesehen sein. In 4 ist ein Bereich des Schaufelfußes 183 durch eine gestrichelte Linie abgetrennt gezeigt, die auch in den 5 und 6 zur Verdeutlichung verwendet wird.
5 zeigt ein Beispiel eines Schaufelblattes 406 einer Turbinenschaufel 120, 130 in einer Querschnittsdarstellung. In der Darstellung ist ein aerodynamisches Profil des Schaufelblattes 406 zu erkennen, wobei die Schmalseiten des Schaufelblattes 406 von einer Anströmkante 409 einerseits und einer Abrisskante 412 andererseits gebildet werden. Da das Schaufelblatt 406 im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt ist, ist das Schaufelblatt 406 mit Kühlmittelkanälen 421 durchsetzt, die mit den Kühlmittelkanälen 420 des Schaufelfußes 183 und, sofern vorgesehen, den Filmkühllöchern 418 von 4 fluidisch verbunden sind. Dabei kann die Anzahl von Kühlmittelkanälen 421 des Schaufelblattes 406 von jener der Kühlmittelkanäle 420 des Schaufelfußes 183 abweichen. Insbesondere können die Kühlmittelkanäle 421 des Schaufelblattes 406 auch von jenen der Kühlmittelkanäle 420 des Schaufelfußes 183 abweichende Querschnittsformen und -durchmesser aufweisen. Zudem können sich die Kühlmittelkanäle 421 des Schaufelblattes 183 diesbezüglich auch untereinander unterscheiden.
Im Betrieb ist die Anströmkante 409 höheren Belastungen ausgesetzt als beispielsweise die Abrisskante 412, so dass in deren Bereich ein höhere Schädigung und damit eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Reparaturbedürftigkeit zu erwarten sind. Dieser Bereich ist in 5 entsprechend der Darstellung von 4 durch eine gestrichelte Linie vom Hauptteil des Schaufelblattes 406 abgetrennt dargestellt.
6 zeigt einen Schaufelfuß 183 eines Schaufelblattes 406 einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 120, 130. Im Hauptteil ist die Formgebung des Schaufelfußes 183 unverändert, so dass auch hier beispielhaft Kühlmittelkanäle identisch zu jenen von 4 vorgesehen sind. In dem durch die gestrichelte Linie abgetrennt markierten Bereich wurde die Formgebung des Schaufelfußes 183 jedoch gegenüber der von 4 abgewandelt, indem die Form der Anströmkante 409 mit einem Kühlmittelkanal 421 auf den Schaufelfuß 183 übertragen wurde. Dabei wird in 6 rein beispielhaft genau ein Kühlmittelkanal 421 in dem Bereich gezeigt. Es können hiervon abweichende Anzahlen von Kühlmittelkanälen vorgesehen sein. Die Anpassung in dem Bereich des Schaufelfußes 183 können sich allein auf die Anzahl sowie Form und Durchmesser der Querschnitte der Kühlmittelkanäle 421, oder aber auch zusätzlich oder alternativ auf die äußere Formgebung des Schaufelfußes 183 dergestalt, dass sie der eines Bereiches des Schaufelblattes 406 wenigstens ähnelt. Insbesondere kann der Schaufelfuß 183 abgerundet ausgeführt sein, während er im Stand der Technik üblicherweise geradkantig ausgeführt ist. Vorzugsweise ist die räumliche Ausrichtung der jeweiligen Bereiche des Schaufelblattes 406 und des Schaufelfußes gleich, so dass eine besonders geringe kristallographische Abweichung zwischen den Bereichen erreicht werden kann.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1204776 B1 [0037, 0050]
EP 1306454 [0037, 0050]
EP 1319729 A1 [0037, 0050]
WO 99/67435 [0037, 0050]
WO 00/44949 [0037, 0050]
EP 0486489 B1 [0038, 0057, 0069]
EP 0786017 B1 [0038, 0057, 0069]
EP 0412397 B1 [0038, 0057, 0069]
EP 1306454 A1 [0038, 0057, 0069]
US 6024792 [0056]
EP 0892090 A1 [0056]

Claims

Ein Verfahren für die Reparatur einer Gasturbinenkomponente (120, 130), bei dem die Gasturbinenkomponente (120, 130) auf ein Vorliegen von Mängeln untersucht und dabei ein Bereich der Gasturbinenkomponente (120, 130) als Mangelstelle identifiziert und aus der Gasturbinenkomponente (120, 130) entfernt wird, wenn in dem Bereich eine über ein vorbestimmtes Maß hinausgehende Beschädigung erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorrat an Ausschussgasturbinenkomponenten (120, 130) durchsucht wird, bis eine Ersatzteilkomponente (120, 130) gefunden wird, bei der eine Ersatzstelle der Ersatzteilkomponente (120, 130) ein Qualitätskriterium erfüllt, und dass die gefundene Ersatzstelle aus der Ersatzteilkomponente (120, 130) entfernt und in die zu reparierende Gasturbinenkomponente (120, 130) eingefügt wird.
Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem die Gasturbinenkomponente (120, 130) und die Ersatzteilkomponente (120, 130) funktional entsprechende Komponenten (120, 130) sind.
Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbinenkomponente (120, 130) eine Laufschaufel (120) oder eine Leitschaufel (130) einer Gasturbine (100) ist.
Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ersatzteilkomponente (120, 130) eine Laufschaufel (120) oder eine Leitschaufel (130) einer Gasturbine (100) ist.
Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem sich die Ersatzstelle an einem Schaufelfuß (183) der Ersatzteilkomponente (120, 130) befindet.
Das Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ersatzstelle der Ersatzteilkomponente (120, 130) örtlich der Mangelstelle der zu reparierenden Gasturbinenkomponente (120, 130) entspricht.
Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbinenkomponente (120, 130) und der Vorrat an Ausschussgasturbinenkomponenten (120, 130) aus derselben Fertigungscharge stammen.
Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbinenkomponente (120, 130) und die Ersatzteilkomponente (120, 130) einteilige Gusskörper sind.
Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbinenkomponente (120, 130) und die Ersatzteilkomponente (120, 130) einkristallin, gerichtet oder äquiaxial erstarrte Gusskörper sind.
Eine Turbinenschaufel (120, 130) für eine Gasturbine (100) und mit einem Schaufelblatt (406) und einem Schaufelfuß (183), wobei das Schaufelblatt (406) eine Anströmkante (409), eine Abrisskante (412) und eine die Anströmkante (409) mit der Abrisskante (412) verbindende und dem Schaufelfuß (183) gegenüberliegende Schaufelspitze (415) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich der Anströmkante (409) oder der Schaufelspitze (415) einerseits und ein zweiter Bereich des Schaufelfußes (183) eine gleiche Formgebung aufweisen.
Die Turbinenschaufel (120, 130) des vorhergehenden Anspruchs, bei der der erste und der zweite Bereich der Turbinenschaufel (120, 130) räumlich gleich ausgerichtet sind.
Die Turbinenschaufel (120, 130) eines der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei der ein erster Kühlmittelkanal (420) in dem ersten Bereich und ein zweiter Kühlmittelkanal (421) in dem zweiten Bereich gleiche Durchmesser, Querschnitte oder Orientierungen aufweisen.
Die Turbinenschaufel (120, 130) eines der drei vorhergehenden Ansprüche, bei der ein erster Krümmungsradius des ersten Bereichs gleich einem Krümmungsradius des zweiten Bereichs ist.