Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel für den Heissbereich einer Gasturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) sowie ein Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelfuß (2), einer Schaufelplattform (3) und einem Schaufelblatt (4), die für einen Heißbereich einer Gasturbine ausgelegt ist, bei dem zumindest ein Bereich des Schaufelblatts (4) der Turbinenschaufel mit einem Strahlgut beschossen wird, um in diesem eine Kompressionsvorspannung zu erzeugen. Vorteilhafterweise wird ein Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblatts (4) unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform (3) beschossen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß, einer Schaufelplattform und einem Schaufelblatt, die für den Heißbereich einer Gasturbine ausgelegt ist.

[0002] Gasturbinen weisen einen Kalt- und einen Warmbereich auf, die sich insbesondere durch die hier während des Betriebes herrschenden Temperaturen unterscheiden. Dabei wird der Kompressor mit seinen Kompressorblättern aufgrund der in ihm vorliegenden vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur dem Kaltbereich der Gasturbine zugeordnet. Im Gegensatz hierzu gehört die Brennkammer, in der während des Betriebes Temperaturen von mehr als 600°C auftreten können, zu dem Heißbereich der Gasturbine.

[0003] Im Stand der Technik sind Verfahren zum Strahlen von Kompressorschaufeln beschrieben worden. Bei diesen werden in belasteten Bereichen der Kompressorschaufel, insbesondere im Schaufelblatt, durch Beschuss mit einem Strahlgut oder durch Laserstrahlen Kompressionsvorspannungen erzeugt, die während des Betriebs den auftretenden Zugspannungen entgegenwirken. Auf diese Weise kann die Belastung der Kompressorschaufel vermindert und deren Lebensdauer erhöht werden.

[0004] Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 074 918 A2 beschrieben, wobei hier insbesondere vorgesehen ist, die Vorder- und Hinterkante der Kompressorschaufel mit dem Strahlgut zu beschießen, um in diesem Bereich Kompressionsvorspannungen zu erzeugen.

[0005] Auch die in der Brennkammer angeordneten Turbinenschaufeln sind hohen Belastungen ausgesetzt, wobei insbesondere durch die bei der Rotation auftretenden Zugkräfte Risse entstehen können. Dabei verstärken die hohen Betriebstemperaturen in der Brennkammer zusätzlich die Rissbildung, so dass die Lebensdauer der Turbinenschaufeln insgesamt erheblich reduziert wird.

[0006] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel für den Heißbereich einer Gasturbine bereitzustellen, welches die Belastbarkeit und Haltbarkeit der Turbinenschaufel erhöht.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Bereich des Schaufelblatts der Turbinenschaufel mit einem Strahlgut beschossen wird, um in diesem eine Kompressionsvorspannung zu erzeugen.

[0008] Grundgedanke der Erfindung ist es also, bei einer Turbinenschaufel für den Heißbereich einer Gasturbine, zumindest in einem Bereich des hoch belasteten Schaufelblatts eine Kompressionsvorspannung durch Beschuss mit einem Strahlgut zu erzeugen. Dazu wird der entsprechende Bereich der Oberfläche des Schaufelblatts mit hoher Geschwindigkeit mit einem Strahlgut beschossen. Das auf dem Schaufelblatt auftreffende Strahlgut überträgt dann einen Teil seiner kinetischen Energie, wodurch die Kompressionsvorspannungen erzeugt werden. Diese Vorspannungen wirken beim Betrieb der bestrahlten Turbinenschaufel den auftretenden Zugkräften entgegen, so dass die Belastung gesenkt wird und die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung abnimmt. Dies gilt insbesondere auch bei den hohen Temperaturen, denen die Turbinenschaufel in der Brennkammer der Gasturbine während des Betriebs ausgesetzt ist.

[0009] Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Bereich der Hinterkante und/oder der Vorderkante des Schaufelblatts mit dem Strahlgut beschossen wird. Diese Bereiche des Schaufelblatts sind während des Betriebes besonderen Belastungen ausgesetzt, so dass das Erzeugen von Kompressionsvorspannungen hier sehr effizient ist, um die Lebensdauer der Turbinenschaufel insgesamt zu erhöhen. Dabei hat sich insbesondere gezeigt, dass das Vorhandensein von Kompressionsvorspannungen in der Hinterkante des Schaufelblatts wesentlich dafür ist, die Rissbildung in der Turbinenschaufel während des Betriebes zu verhindern.

[0010] Weiterhin ist es möglich, einen Bereich der Hinterkante und/oder Vorderkante des Schaufelblatts unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform mit dem Strahlgut zu beschießen. Hierbei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der an die Verbindungsstelle zwischen Schaufelblatt und Schaufelplattform angrenzende Bereich des Schaufelblatts während des Betriebs besonders hohen Belastungen ausgesetzt ist, was das selektive Erzeugen von Kompressionsvorspannungen hier besonders effizient macht, um die Gesamtlebensdauer der Turbinenschaufel zu erhöhen. Dies gilt vor allem für die Hinterkante des Schaufelblatts, da hier im Bereich des Schaufelblatts unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform Belastungsspitzen auftreten.

[0011] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa durch Beschuss mit Strahlgut zu erzeugen. Wenn die Kompressionsspannung unter 10 MPa beträgt, ist sie zu schwach, um signifikant den während des Betriebes auftretenden Zugspannungen entgegen zu wirken. Umgekehrt können bei der Erzeugung von Kompressionsvorspannungen im Bereich größer 500 MPa Beschädigungen des Schaufelblatts beim Strahlen auftreten. Bevorzugt wird eine Kompressionsvorspannung im Bereich von 10 bis 200 MPa insbesondere von 50 bis 150 MPa erzeugt. Die Spannungen in diesem Bereich wirken den auftretenden Zugspannungen effizient entgegen, ohne das bei ihrer Erzeugung durch Strahlen die Gefahr einer Beschädigung des Schaufelblatts besteht.

[0012] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Turbinenschaufel sind in den Unteransprüchen 6 bis 9 beschrieben.

[0013] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.

[0014] In der Zeichnung zeigt:

Figur 1

eine schematische Ansicht einer Turbinenschaufel für den Heißbereich einer Gasturbine.

Figur 2

eine Ansicht einer experimentell untersuchten Probe;

Figur 3

eine Auftragung des gemessenen Potentialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct1";

Figur 4

eine Auftragung des gemessenen Potenzialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct1";

Figur 5

eine Auftragung der inelastischen Überlastung bei der Probe "sNS9ct2";

Figur 6

eine Auftragung des gemessenen Potentialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct2";

Figur 7

eine Auftragung des gemessenen Potenzialgefälles gegen den Zyklus bei der Probe "sNS9ct2"; und

Figur 8

eine Darstellung eines Vergleiches der Rissbildungsgeschwindigkeit bei den Proben mit und ohne inelastische Überlastung.

[0015] In der Figur 1 ist schematisch eine Turbinenschaufel 1, mit einem Schaufelfuß 2, einer Schaufelplattform 3 und einem Schaufelblatt 4 dargestellt, die für den Heißbereich einer Gasturbine, d.h. für deren Brennkammer vorgesehen ist.

[0016] Dabei ist in der Zeichnung die Hinterkante des Schaufelblatts 4 vorne und die Vorderkante des Schaufelblatts 4 hinten dargestellt.

[0017] Die Turbinenschaufel 1 besteht aus einer Superlegierung. Hierbei kann es sich besonders um eine Nickel-Superlegierung und insbesondere um RENE80 handeln.

[0018] Erfindungsgemäß wird der unmittelbar über der Schaufelplattform 3 liegende Bereich 7 der Hinterkante 5 des Schaufelblatts 4 mit einem Strahlgut beschossen. Dabei können die im Stand der Technik bekannten, beispielsweise in der EP 0074 918 A2 beschriebenen Strahlmaterialien und Verfahrensparameter verwendet werden. Auf diese Weise wird in dem Bereich 7 des Schaufelblatts 4 eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa erzeugt.

[0019] Alternativ können andere Bereiche des Schaufelblatts 4 bestrahlt werden. So können beispielsweise die gesamte Hinterkante 5 und/oder die gesamte Vorderkante 6 mit Strahlgut beschossen werden.

[0020] Es ist ebenfalls möglich lediglich Teilbereiche der Vorderkante 6, beispielsweise den Bereich unmittelbar über der Schaufelplattform 3 zu strahlen.

[0021] Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß bestrahlte Turbinenschaufel 1 beim Betrieb in der Brennkammer einer Gasturbine eine längere Lebensdauer als eine unbestrahlte Turbinenschaufel aufweist. Insbesondere ist dabei die Rissbildung aufgrund der beim Betrieb wirkenden Zugspannungen reduziert. Dies ist durch die durchgeführten Vergleichstests belegt worden.

[0022] Bei diesen wurde die Wachstumsgeschwindigkeit der Ermüdungsrisse von Proben aus RENE80 mit und ohne zuvor eingebrachte Kompressionsvorspannung bei 900°C untersucht. Zur Vorbereitung des Tests wurden zwei Proben hergestellt, wobei deren Symmetrie in der Figur 2 gezeigt ist (W=40mm, B=10mm, a_{nur 0}=8,0mm). Die Startkerbe wurde erodiert.

[0023] Die anschließende Messung der Wachstumsgeschwindigkeit der Ermüdungsrisse ist in Übereinstimmung mit der ASTM E 647-2005 durchgeführt worden. Hier würde die Wachstumsgeschwindigkeit der Ermüdungsrisse dA/dA (Δ K₁) durch Erhöhen von Δ K₁ bestimmt, wobei diese Tests auf einer Hochfrequenzmaschine durchgeführt wurden. Das Verhältnis R betrug 0,1 und die Frequenz 10 Hz. Die Bestimmung der Risslänge wurde durch Potenzialgefällemessungen bestimmt, wobei das Potenzialgefälle mit der endgültigen Risslänge korreliert wurde.

[0024] In den Figuren 3 und 4 ist die Auftragung des Potenzialgefälles gegen den Zyklus für die CT-Probe ohne inelastische Überlastung (sNS9ct1) gezeigt. Bei Δ K₁₀=10 MPa m^1/2 trat kein Risswachstum auf. Daher wurde Δ K₁₀ auf 15 MPa m^1/2 erhöht.

[0025] Für die inelastische Überlastung wurde die CT-Probe sNS9ct2 auf 25 kN geladen und bei 900°C entladen (Figur 5). Die Ergebnisse des nachfolgenden Ermüdungsrisstests für diese CT-Probe sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Bei diesem Test wurde der Bereich der Belastungsintensität Δ K₁₀ von 15 auf 20 MPa m^1/2 erhöht, um ein Ermüdungsrisswachstum zu erhalten.

[0026] Alle Ergebnisse sind in Form einer Auftragung dA/dN (Δ K₁) in der Figur 8 dargestellt. Aus der Datenauswertung ergeben sich signifikante Unterschiede zwischen den Risswachstumsdaten der Proben mit und ohne inelastische Überlastung. Wie es zu erwarten war, führt die inelastische Überlastung zur größeren Δ K₁-Werten bei einer vorgegebenen Risswachstumsrate.

Ansprüche

1. Verfahren zum Strahlen einer Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelfuß (2), einer Schaufelplattform (3) und einem Schaufelblatt (4), die für den Heißbereich einer Gasturbine ausgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Bereich (7) des Schaufelblatts (4) der Turbinenschaufel (1) mit einem Strahlgut beschossen wird, um in diesem eine Kompressionsvorspannung zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblatts (4) mit dem Strahlgut beschossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblatts (4) unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform (3) mit dem Strahlgut beschossen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa, bevorzugt von 10 bis 200 MPa und insbesondere von 50 bis 150 MPa,
durch das Beschießen mit dem Strahlgut erzeugt wird.

5. Turbinenschaufel (1) für den Heißbereich einer Gasturbine, mit einem Schaufelfuß (2), einer Schaufelplattform (3) und einem Schaufelblatt (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest in einem Bereich (7) des Schaufelblatts (4) eine Kompressionsvorspannung vorhanden ist, die durch Beschießen mit einem Strahlgut erzeugt wurde.

6. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblattes (4) eine Kompressionsvorspannung vorhanden ist.

7. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Bereich (7) der Hinterkante (5) und/oder Vorderkante (6) des Schaufelblattes (4) unmittelbar oberhalb der Schaufelplattform (3) eine Kompressionsvorspannung vorhanden ist.

8. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Kompressionsvorspannung von 10 bis 500 MPa, bevorzugt von 10 bis 200 MPa und insbesondere von 50 bis 150 MPa,
vorhanden ist.

9. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie aus einer Superlegierung, besonders aus einer Nickel-Superlegierung und insbesondere aus RENE80 besteht.

Zeichnung