Verfahren zum Reparieren eines beschädigten Vorder- oder Hinterkantenbereiches einer metallischen Turbinenschaufel

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Reparieren eines beschädigten Vorder- oder Hinterkantenbereiches einer metallischen Turbinenschaufel , die eine saugseitige Schaufelwand, eine druckseitige Schaufelwand sowie eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist , umfassend die Schritte : a) Entfernen des beschädigten Vorder- oder Hinterkantenbereiches unter Erzeugung eines Ausschnitts ; b) Bereitstellen eines formschlüssig in den Ausschnitt einsetzbaren, die Soll-Geometrie der Turbinenschaufel wiederherstellenden Ersatzteils ; c) formschlüssiges Einsetzen des Ersatzteils in den Ausschnitt in einer vorbestimmten Einsetzrichtung, und d) stof f schlüssiges Verbinden des Ersatzteils mit der Turbinenschaufel .

Turbinenschaufeln werden in Strömungsmaschinen eingesetzt , wie beispielsweise in Gasturbinen . Grundsätzlich wird zwischen rotierenden Lauf schaufeln und orts festen Leitschauf ein unterschieden, welche ein fluides Arbeitsmedium in einer vorbestimmten Richtung auf die Lauf schaufeln richten . Während des Betriebs einer Gasturbine sind Turbinenschaufeln insbesondere aufgrund hoher thermischer Belastungen und einer korrosiven Umgebung starken Beanspruchungen ausgesetzt , was zum Verschleiß führt . So leiden beispielsweise die Hinterkanten an einem Materialverlust , der eine Reduzierung der Leistung, eine Verschlechterung der Kühlung oder gar ein vollständiges Versagen der Turbinenschaufel nach sich zieht . Um den ordnungsgemäßen Betrieb der Gasturbine aufrechterhalten zu können, ist es entsprechend erforderlich, verschlissene Turbinenschaufeln aus zutauschen oder zu reparieren . Zur Reparatur eines beschädigten Vorder- oder Hinterkantenbereiches einer metallischen Turbinenschaufel sind bereits Verfahren bekannt , bei denen ein verschlissener Bereich unter Erzeugung eines Ausschnitts entfernt wird . Anschließend wird ein in den Ausschnitt formschlüssig einsetzbares , die Soll- Geometrie des beschädigten Bereiches wiederherstellendes Ersatzteil bereitgestellt . Derartige Ersatzteile werden häufig auch als Coupon bezeichnet . In einem weiteren Schritt wird das Ersatzteil in einer vorbestimmten Einsetzrichtung formschlüssig in den Ausschnitt eingesetzt . Zur Fixierung des Ersatzteils wird dieses dann stof f schlüssig mit der Turbinenschaufel verbunden, beispielsweise unter Einsatz eines Lötoder Schweißverfahrens . Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Druckschri ft EP 2 317 075 Bl beschrieben .

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Reparieren eines beschädigten Vorder- oder Hinterkantenbereiches einer metallischen Turbinenschaufel zu schaf fen .

Zur Lösung dieser Aufgabe schaf ft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art , das dadurch gekennzeichnet ist , dass in Schritt a ) an den Schaufelwänden bezogen auf die Einsetzrichtung hinterschneidungs f reie Ausnehmungen ausgebildet werden, wobei die Ausnehmungen der saugseitigen Schaufelwand versetzt zu den Ausnehmungen der druckseitigen Schaufelwand positioniert sind, wenn die Turbinenschaufel von der Seite aus betrachtet wird, dass das in Schritt b ) be- reitgestellte Ersatzteil Vorsprünge aufweist , die in Schritt c) formschlüssig in die Ausnehmungen eingeführt werden, wobei das Ersatzteil und die Turbinenschaufel nach dem Einsetzen des Ersatzteils einander überlappende Bereiche aufweisen, wenn die Turbinenschaufel von der Seite aus betrachtet wird, und dass das Ersatzteil in Schritt c ) nach dem Einsetzen in den Ausschnitt mechanisch unter Verwendung von sich durch die einander überlappenden Bereiche erstreckenden Befestigungselementen derart an der Turbinenschaufel fixiert wird, dass diese mechanische Fixierung ein Herausnehmen des Ersatzteils aus dem Ausschnitt entgegen der vorbestimmten Einsetzrichtung blockiert .

Dank der in den Schaufelwänden der nach Durchführung des Schrittes a ) verbleibenden Turbinenschaufel ausgebildeten Ausnehmungen und der in diese eingrei fenden Vorsprünge des Ersatzteils einerseits und der Befestigungselemente andererseits , mit denen das Ersatzteil an der Turbinenschaufel befestigt wird, wird zusätzlich zu der in Schritt d) erzeugten stof f schlüssigen Verbindung eine mechanische Verbindung erzielt , wodurch die stof f schlüssige Verbindung stark entlastet wird . Die Ausnehmungen und die in diese eingrei fenden Vorsprünge verhindern eine Relativbewegung zwischen der Turbinenschaufel und dem Ersatzteil in zumindest einer, bevorzugt in beiden Richtungen senkrecht zur Einsetzrichtung, und die Befestigungselemente eine Relativbewegung der Komponenten entgegen der Einsetzrichtung . Insgesamt wird entsprechend eine sehr stabile Befestigung des Ersatzteils an der Turbinenschaufel gewährleistet , was zu einer erhöhten Lebensdauer der reparierten Turbinenschaufel führt .

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Ausschnitt in Schritt a ) unter Einsatz eines Erodierprozesses , insbesondere eines Senkerodierprozesses oder Drahterodierprozesses erzeugt . Solche Erodierprozesse zeichnen sich durch eine hohe Abtraggenauigkeit aus .

Die Befestigungselemente sind bevorzugt sti ftartig ausgebildet und durch in den Überlappungsbereichen vorgesehene Durchgangsöf fnungen geführt , wodurch eine einfach technische Realisierung der Befestigung erzielt wird . Die Durchgangsöf fnungen können nach Erzeugen des Ausschnitts in Schritt a ) beispielsweise mechanisch erzeugt , insbesondere gebohrt werden .

Das Ersatzteil wird vorteilhaft additiv gefertigt . Die additive Fertigung ist zum einen dahingehend von Vorteil , dass sich das Ersatzteil bei Bedarf schnell und preiswert fertigen lässt . Entsprechend kann auf eine kostspielige Lagerhaltung von Ersatzteilen verzichtet werden . Zum andere lassen sich mit der additiven Fertigung auch Ersatzteile mit sehr komplizierten Geometrien problemlos herstellen .

Bevorzugt handelt es sich bei dem Ersatzteil um ein Standardersatzteil mit Standardabmessungen, wobei das Erzeugen des Ausschnitts in Schritt a ) unter Berücksichtigung dieser Standardabmessungen erfolgt . Derart standardisierte Ersatzteile haben den Vorteil , dass Form und Abmessungen nicht für j eden Reparaturprozess neu ermittelt werden müssen, was eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis nach sich zieht .

Das Standardersatzteil kann vor dem Einsetzen in Schritt c ) bearbeitet werden, um Abweichungen der Geometrie des Standardersatzteils von der Geometrie des Ausschnitts zu minimieren . Dies kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn sich die Turbinenschaufel während des Betriebs der Strömungsmaschine leicht verzogen hat . Für die Bearbeitung wird bevorzugt ein mechanisches Bearbeitungsverfahren eingesetzt , beispielsweise in Form eines Fräs- und/oder Schlei fprozesses .

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Stoßkanten des Ersatzteils mit abstandshaltenden Vorsprüngen versehen, die zur Einstellung einer vorbestimmten Fugenbreite für das stof f schlüssige Verbinden dienen . Auf diese Weise kann eine stof f schlüssige Verbindung mit sehr hoher Güte erzielt werden .

Vorteilhaft erfolgt das stof f schlüssige Verbinden des Ersatzteils mit der Turbinenschaufel unter Einsatz eines Lötverfahrens , insbesondere unter Einsatz eines Engspaltlötverf ährens .

Ferner schaf ft die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel , die eine saugseitige Schaufelwand, eine druckseitige Schaufelwand sowie eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist , wobei ein beschädigter Vorder- oder Hinterkantenbereich unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens repariert ist . Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich . Darin ist

Figur 1 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine Seitenansicht eines Teilbereiches einer Turbinenschaufel mit beschädigter Hinterkante , die unter Einsatz des in Figur 1 dargestellten Verfahrens repariert werden soll ;

Figur 3 eine Seitenansicht der in Figur 2 dargestellten Turbinenschaufel , bei welcher der beschädigte Hinterkantenbereich unter Erzeugung eines Ausschnitts entfernt wurde , und eines formschlüssig in den Ausschnitt einsetzbaren, die Soll-Geometrie der beschädigten Hinterkante wiederherstellenden Ersatzteils ;

Figur 4 eine perspektivische Ansicht der in Figur 3 gezeigten Anordnung; und

Figur 5 eine Seitenansicht der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Anordnung in einem Zustand, in dem das Ersatzteil an der Turbinenschaufel befestigt ist .

Figur 1 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß einer Aus führungs form der vorliegenden Erfindung, das zum Reparieren einer beschädigten metallischen Turbinenschaufel 1 eingesetzt wird . Im vorliegenden Beispiel wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es in Figur 2 gezeigt ist , ein beschädigter Hinterkantenbereich 2 einer Turbinenschaufel 1 repariert , die eine saugseitige Schaufelwand 3 , eine druckseitige Schaufelwand 4 sowie eine Vorderkante 5 und eine Hinterkante 6 auf- weist . Es sollte allerdings klar sein, dass auch andere beschädigte Bereiche der Turbinenschaufel 1 unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens repariert werden können, insbesondere beschädigte Bereiche der Vorderkante 5 .

In einem ersten Schritt a ) wird der beschädigte Hinterkantenbereich 2 unter Erzeugung eines Ausschnitts 7 entfernt , der in Figur 2 als gestrichelte Linie dargestellt ist . Der Ausschnitt 7 sollte dabei hinreichend groß gewählt werden, um möglichst sämtliche im Bereich der Hinterkante 6 vorhandene Beschädigungen zu erfassen . Der Ausschnitt 7 wird vorliegend unter Einsatz eines Senkerosionsverfahrens erzeugt , wobei grundsätzlich natürlich auch andere Abtragverfahren denkbar sind, wie beispielsweise Fräsen oder Schlei fen . Im Rahmen der Herstellung des Ausschnitts 7 werden an den Schaufelwänden 3 und 4 bezogen auf eine Einsetzrichtung 8 hinterschneidungs- freie Ausnehmungen 9 ausgebildet , wobei die Ausnehmungen 9 der saugseitigen Schaufelwand 3 versetzt zu den Ausnehmungen

9 der druckseitigen Schaufelwand 4 positioniert sind, wenn die Turbinenschaufel 1 gemäß Figur 3 von der Seite aus betrachtet wird .

In einem Schritt b ) wird dann ein Ersatzteil 10 bereitgestellt , das in den im Schritt a ) erzeugten Ausschnitt formschlüssig einsetzbar ist und die Soll-Geometrie der Turbinenschaufel 1 wiederherstellen soll . Die Kantengeometrie des Ersatzteils 10 ist somit korrespondierend zur Kantengeometrie des Ausschnitts 7 ausgebildet . Entsprechend weist das Ersatzteil 10 Vorsprünge 11 auf , die in Einsetzrichtung 8 formschlüssig in die in Schritt a ) erzeugten Ausnehmungen 9 der Turbinenschaufel 1 eingeführt werden können . Das Ersatzteil

10 ist insbesondere unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt . Bei dem Ersatzteil 10 handelt es sich bevorzugt um ein Standardersatzteil mit Standardabmessungen . In diesem Fall erfolgt die Ausbildung des Ausschnitts 7 in Schritt a ) unter Berücksichtigung dieser Standardabmessungen des Standardersatzteils . In einem weiteren Schritt c ) wird das Ersatzteil 10 formschlüssig in Einsetzrichtung 8 in den Ausschnitt 7 eingesetzt . Dabei werden die Vorsprünge 11 des Ersatzteils 10 in die in den Schaufelwänden 3 und 4 ausgebildeten Ausnehmungen

9 eingeführt , wodurch sich Bereiche ergeben, in denen das Ersatzteil 10 und die Turbinenschaufel 1 einander überlappen, wenn die Turbinenschaufel 1 von der Seite aus betrachtet wird, siehe erneut die Ansicht in Figur 3 . Vor der Durchführung des Schrittes c ) kann das Standardersatzteil bearbeitet werden, um gegebenenfalls vorhandene Abweichungen der Geometrie des Standardersatzteils von der Geometrie des Ausschnitts 7 zu minimieren, beispielsweise solche Abweichungen, die sich durch einen Verzug der Turbinenschaufel 1 während des Einsatzes in einer Gasturbine ergeben haben . Nach dem Einsetzen in den Ausschnitt 7 wird das Ersatzteil 10 in Schritt c ) ferner mechanisch unter Verwendung von sich durch die einander überlappenden Bereiche erstreckenden Befestigungselementen 12 derart an der Turbinenschaufel 1 fixiert , dass diese mechanische Fixierung ein Herausnehmen des Ersatzteils 10 aus dem Ausschnitt 7 entgegen der vorbestimmten Einsatzrichtung 8 blockiert . Bei den Befestigungselementen 12 handelt es sich vorliegend um sti ftartig ausgebildete Befestigungselemente , die sich durch Durchgangsöf fnungen 13 erstrecken, die einerseits in den Schaufelwänden 3 und 4 und andererseits in den Vorsprüngen 11 des Ersatzteils 10 ausgebildet sind . Die Durchgangsöf fnungen 13 der Turbinenschaufel 1 können beispielsweise in Schritt a ) nach der Herstellung des Ausschnitts 7 insbesondere bohrend gefertigt werden .

In einem sich anschließenden Schritt d) werden das Ersatzteil

10 und die Turbinenschaufel 1 entlang ihrer Stoßkanten stof fschlüssig miteinander verbunden, vorliegend unter Verwendung eines Hartlötprozesses . Figur 5 zeigt die entsprechenden Verbindungsnähte 14 .

Zur Optimierung des stof f schlüssigen Verbindens können die Stoßkanten des Ersatzteils 10 mit abstandhaltenden Vorsprüngen 15 versehen sein, wie es in Figur 3 angedeutet ist , um eine vorbestimmte Fugenbreite für das stof f schlüssige Verbinden einzustellen .

Es sei darauf hingewiesen, dass an das stof f schlüssige Fügen weitere Verfahrensschritte anschließen können, beispielsweise zur mechanischen Bearbeitung der Verbindungsnähte 14 , zur Wärmebehandlung der reparierten Turbinenschaufel 1 oder dergleichen . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .