DE102007054782A1

DE102007054782A1 - Induktionsspule, Verfahren und Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen

Info

Publication number: DE102007054782A1
Application number: DE102007054782A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Bamberg; Alexander Gindorf; Herbert Hanrieder; Günter Zenzinger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-05-20
Also published as: CA2643530A1; US20090127254A1; EP2061286A2; EP2061286A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionsspule (10) zur Verwendung in einem Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente (12, 14) jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen (20, 22, 24, 26) aufweisen. Erfindungsgemäß ist die Induktionsspule (10) mäanderförmig ausgebildet und derart um das oder die Bauelemente (12, 14) geformt ist, dass sich die Induktionsspule (10) über zumindest einen Teilbereich der Seitenfläche oder der Seitenflächen (20, 22, 24) des oder der zu erwärmenden Bauelemente (12, 14) im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen (16, 18) erstreckt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, sowie ein mit dem Verfahren oder der Vorrichtung hergestelltes Bauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionsspule zur Verwendung in einem Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil.
Aus der DE 198 58 702 A1 ist ein Pressschweißverfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine bekannt, wobei ein Schaufelblattabschnitt und wenigstens ein weiteres Schaufelteil bereitgestellt werden. Dabei werden entsprechende Verbindungsflächen dieser Elemente im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert und anschließend durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung ihrer Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Bei diesem induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die genügend große und homogene Erwärmung der beiden Schweißpartner für die Qualität der Fügestelle von entscheidender Bedeutung.
Weitere induktive Hochfrequenzpressschweißverfahren sind aus der EP 1 112 141 B1 und der EP 1 140 417 B1 bekannt. Dabei werden diese Verfahren zur Reparatur und Herstellung eines integral beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine beziehungsweise allgemein zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine verwendet. Hierbei wird ein Induktor verwendet, der im Bereich einer Schaufelvorder- und Schaufelhinterkante mit größerem Abstand zur Fügefläche als im Mittenbereich der Schaufel angeordnet ist. Damit soll der induzierte, hochfrequente elektrische Strom die Stirnfläche der zu verbindenden Schaufelteile möglichst gleichmäßig erwärmen und lediglich die stirnflächen-beziehungsweise oberflächennahen Bereiche schmelzflüssig werden lassen.
Grundsätzlich stellt sich bei Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen das Problem, dass eine gleichmäßige Erwärmung der zu bearbeitenden und verbindenden Bauelemente unabhängig von deren Querschnitt nur sehr schwer erreichbar ist. Insbesondere bei großen und/oder fast quadratischen Fügeflächen wird der Stromfluss und damit die Erwärmung der Fügeflächen mittels bekannter Induktionsspulen ungleichförmig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Induktionsspule bereitzustellen, bei der eine gleichmäßige Erwärmung metallischen Bauelementen unabhängig von deren Querschnitt und insbesondere bei großen und/oder fast quadratischen Fügeflächen gewährleistet ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, bereitzustellen, bei dem eine gleichmäßige Erwärmung metallischen Bauelementen unabhängig von deren Querschnitt und insbesondere bei großen und/oder fast quadratischen Fügeflächen gewährleistet ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, bereitzustellen, bei der eine gleichmäßige Erwärmung metallischen Bauelementen unabhängig von deren Querschnitt und insbesondere bei großen und/oder fast quadratischen Fügeflächen gewährleistet ist.
Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Induktionsspule gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 17.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Induktionsspule zur Verwendung in einem Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine ist mäanderförmig ausgebildet und derart um das oder die Bauelemente geformt, dass sie sich über zumindest einen Teilbereich einer oder mehrerer den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebenden Seitenflächen des oder der zu erwärmenden Bauelemente im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen erstreckt. Die erfindungsgemäße dreidimensionale Erstreckung der Induktionsspule erlaubt es, dass – im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten flächig ausgebildeten Spulen – der Stromfluss so gelenkt wird, dass er über nahezu den gesamten Bereich der zu bearbeitenden Flächen, wie zum Beispiel Verbindungsflächen der Bauelemente wirkt und damit unabhängig vom Querschnitt der Bauteile eine gleichmäßige Erwärmung der ge samten Bearbeitungs- beziehungsweise Fügezone erreicht wird. Insbesondere bei großen und/oder fast quadratischen Fügeflächen erfolgt der Stromfluss und damit die Erwärmung der Fügeflächen gleichförmig. Zudem wird der Stromfluss zwischen zwei zu fügenden Flächen verstärkt. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Induktionsspule einen Wärmeeintrag in Flächen mit variierender Breite, zudem kann das bearbeitete Bauteil leicht herausgefahren werden, da die Induktionsspule das Bauteil üblicherweise nicht vollständig umgibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Induktionsspule ist die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule der Geometrie des oder der zu bearbeitenden Bauelemente angepasst. Dadurch ist wiederum eine gleichmäßige Erwärmung der metallischen Bauelemente in einem Arbeitsbereich der Induktionsspule gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Induktionsspule ist die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule derart ausgebildet, dass der Stromverlauf auf der Fläche oder den Flächen senkrecht zum Verlauf von parallel zueinander ausgebildeten Bereichen der Induktionsspule an einer Ober- und Unterseite der Bauelemente ausgebildet ist. Auch hierdurch ist eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten zu bearbeitenden Fläche oder den miteinander zu fügenden Flächen gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Induktionsspule weist diese mindestens eine Kühlvorrichtung auf. Durch die Kühlvorrichtung ist gewährleistet, dass es zu keinem An- oder Aufschmelzen der Induktionsspule selbst kommt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Induktionsspule ist das Verfahren zur induktiven Erwärmung ein induktives Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine. Die dabei verwendeten Frequenzen werden aus einem Bereich zwischen 0,05–2,5 MHz gewählt. Die erfindungsgemäße Induktionsspule gewährleistet, dass der Stromfluss über die Verbindungsflächen der zu verbindenden Bauelemente wirkt und unabhängig vom Querschnitt der Bauelemente eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Fügezone erzeugt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen aufweisen, umfasst folgende Schritte: a) Bereitstellung eines oder mehrerer zu erwärmender Bauelemente; b) Heranführung von mindestens einer Induktionsspule an das oder die Bauelemente oder Heranführen des oder der Bauelemente an die mindestens eine Induktionsspule, wobei die Induktionsspule mäanderförmig ausgebildet ist und derart um das oder die Bauelemente geformt ist, dass sich die Induktionsspule über zumindest einen Teilbereich der Seitenfläche oder der Seitenflächen des oder der zu erwärmenden Bauelemente im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen erstreckt und Einführen des oder der zu erwärmenden Bauelemente in die Induktionsspule; und c) induktive Erwärmung des Bauelements oder der Bauelemente in einem Arbeitsbereich der Induktionsspule. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, dass es durch die dreidimensionale Erstreckung der verwendeten Induktionsspule sich eine gleichmäßige Erwärmung der metallischen Bauelemente unabhängig von deren Querschnitt ergibt. Insbesondere bei großen und/oder fast quadratischen Fügeflächen erfolgt der Stromfluss und damit die Erwärmung der Fügeflächen gleichförmig, da der Stromfluss so gelenkt wird, dass er über nahezu den gesamten Bereich der zu bearbeitenden Flächen, wie zum Beispiel Verbindungsflächen der Bauelemente wirken kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule der Geometrie des oder der Bauelemente angepasst. Dadurch ist wiederum eine gleichmäßige Erwärmung der metallischen Bauelemente in einem Arbeitsbereich der Induktionsspule gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule derart ausgebildet, dass der Stromverlauf auf der Fläche oder den Flächen senkrecht zum Verlauf von parallel zueinander ausgebildeten Bereichen der Induktionsspule an einer Ober- und Unterseite der Bauelemente ausgebildet ist. Auch hierdurch ist eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten zu bearbeitenden Fläche oder den miteinander zu fügenden Flächen gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die induktive Erwärmung gemäß Verfahrensschritt c) ein induktives Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine. Die dabei verwendeten Frequenzen können dabei aus einem Bereich zwischen 0,05–2,5 MHz gewählt werden. Es ist aber auch möglich, dass die induktive Erwärmung gemäß Verfahrensschritt c) ein induktives Löten zum Verbinden von metallischen Bauelementen ist oder zur Beseitigung von Ei genspannungen von metallischen Bauelementen ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen. Dabei kann zum Beispiel ein erstes Bauelement eine Schaufel oder ein Teil einer Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine und ein zweites Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors oder ein am Umfang des Rings oder der Scheibe angeordneter Schaufelfuß sein. Die Bauelemente können aber auch Teile einer Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine sein.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen aufweisen, weist mindestens einen Generator und mindestens eine Induktionsspule auf, wobei die Induktionsspule mäanderförmig ausgebildet ist und derart um das oder die Bauelemente geformt ist, dass sich die Induktionsspule über zumindest einen Teilbereich der Seitenfläche oder der Seitenflächen des oder der zu erwärmenden Bauelemente im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen erstreckt. Im Gegensatz zu üblichen Vorrichtungen zur induktiven Erwärmung erfolgt eine Bearbeitung beziehungsweise ein Erwärmen der Bauelemente mittels einer mäanderförmigen und eine dreidimensionale Erstreckung aufweisenden Induktionsspule. Dadurch kann der Stromfluss so gelenkt werden, dass er über die gesamte Fläche der zu bearbeitenden Flächen beziehungsweise Verbindungsflächen wirkt und damit unabhängig vom Querschnitt der Bauelemente eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Bearbeitungsfläche beziehungsweise Fügezone erreicht wird. Zudem wird der Stromfluss zwischen zwei zu fügenden Flächen verstärkt. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wärmeeintrag in Flächen mit variierender Breite, zudem kann das bearbeitete Bauteil leicht aus der Vorrichtung herausgefahren werden, da die verwendete Induktionsspule das Bauteil üblicherweise nicht vollständig umgibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule der Geometrie des oder der Bauelemente angepasst. Durch diese Anpassung ist eine gleichmäßige Erwärmung aller zu bearbeitenden Flächen im Arbeitsbereich der Induktionsspule gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule derart ausgebildet, dass der Stromverlauf auf der Fläche oder den Flächen senkrecht zum Verlauf von parallel zueinander ausgebildeten Bereichen der Induktionsspule an einer Ober- und Unterseite der Bauelemente ausgebildet ist. Auch hierdurch ist eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten zu bearbeitenden Fläche oder den miteinander zu fügenden Flächen gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung mindestens eine Kühlvorrichtung für die Induktionsspule auf. Durch die Kühlvorrichtung wird gewährleistet, dass es zu keiner Beschädigung der Induktionsspule zum Beispiel durch einen zu hohen Temperatureintrag in die Induktionsspule kommt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die induktive Erwärmung ein induktives Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine. Die dabei verwendeten Frequenzen können aus einem Bereich zwischen 0,05–2,5 MHz gewählt werden. Durch den gleichmäßigen Wärmeeintrag unabhängig vom Querschnitt der zu verbindenden Bauelemente eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zum Verbinden entsprechender metallischer Bauelemente. Zudem kann die Vorrichtung Mittel aufweisen, die eine Durchführung des induktiven Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißens im Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre ermöglichen. Dies trägt zur Qualität der resultierenden Schweißverbindungen bei.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen der Induktionsspule und dem oder den Bauelementen im Bereich der zu erwärmenden oder zu verbindenden Abschnitte der Bauelemente zumindest teilweise ein Isolator angeordnet ist, wobei der Isolator mindestens eine dem oder den Bauelementen zugewandte Fläche aufweist und aus einem Material besteht, welches aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften die magnetische Wechselwirkung zwischen der Induktionsspule und den zu erwärmenden Bauelementen nicht wesentlich oder nicht behindert. Zudem kann die Fläche des Isolators von der Induktionsspule und/oder dem oder den Bauelementen beabstandet ausgebildet sein. Der Isolator kann beispielsweise aus Glas, insbesondere aus hochtemperaturbeständigem Quarzglas, einer hochtemperaturbeständigen Keramik oder einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff bestehen. Vorteilhafterweise bleibt bei der Vorrichtung die Induktionsspule bei einem Entstehen von Metalldampf durch die Verdampfung der Oberflächen der zu erwärmenden Bauelemente zuverlässig isoliert, es entsteht kein Plasma und damit kein Kurzschluss zwischen den Bauelementen und der Induktionsspule. Zudem kann die Vorrichtung auch bei einer Metalldampfbildung störungsfrei und kontinuierlich weiterarbei ten, was zum Beispiel bei einer automatischen Serienfertigung von Bauteilen zwingend notwendig ist. Des Weiteren wird erfindungsgemäß die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Isolator und den Bauelementen aufgrund einer geeigneten Materialauswahl des Isolators nicht behindert. Durch eine mögliche Beabstandung der Fläche des Isolators von der Induktionsspule ist gewährleistet, dass es zu keinen Verspannungen zwischen der Induktionsspule und dem Isolator und/oder dem Bauelement und dem Isolator aufgrund von möglichen temperaturabhängigen Unterschieden der Wärmeausdehnung zwischen diesen Elementen kommt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Isolator schicht- oder folienförmig ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Geometrie der dem oder den Bauelementen zugewandten Fläche des Isolators der Geometrie des oder der einzuführenden Bauelemente angepasst. Dadurch ist gewährleistet, dass es zu keiner Behinderung des Einführens des Bauelements in die Induktionsspule kommt.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein so genanntes BLING oder BLISK, welche insbesondere mit einem induktiven Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren hergestellt worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Induktionsspule gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Induktionsspule in nicht-gefaltetem Zustand;
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Induktionsspule gemäß 2 in gefaltetem Zustand;
4a und 4b schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktionsspule 100 gemäß dem Stand der Technik. Man erkennt die flächige Ausgestaltung der In duktionsspule 100 mit der zwei Bauelemente 12, 14 an deren sich gegenüberliegenden Fügeflächen 38, 40 mittels eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenz-Presschweißens verbunden werden sollen. Durch die flächige Ausgestaltung der Induktionsspule 100 wird aber lediglich jeweils ein Teilbereich der Fügeflächen 38, 40, nämlich insbesondere ein Kantenbereich 42, der der Induktionsspule 100 am nächsten liegt, erwärmt. Es wird deutlich, dass insbesondere in der Mitte der Fügeflächen 38, 40 keine direkte Erwärmung mittels der Induktionsspule 100 erfolgt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktionsspule 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Induktionsspule 10 ist dabei in nicht-gefaltetem Zustand dargestellt, man erkennt deutlich die mäanderförmige Ausgestaltung der Induktionsspule 10. Auch andere Mäanderformen, z. B. mit abgerundeten Eckbereichen sind denkbar. Die Induktionsspule 10 besteht üblicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Auch andere Metall oder Metall-Legierungen können verwendet werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Induktionsspule 10 gemäß 2 in einem gefalteten Zustand. Die Induktionsspule 10 kann in einem Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen 12, 14, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, verwendet werden. Man erkennt, dass die Bauelemente 12, 14 jeweils mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen 20, 22, 24, 26 aufweisen, wobei die mäanderförmig ausgebildete Induktionsspule derart um die Bauelemente 12, 14 geformt bzw. gefaltet ist, dass sie sich über Teilbereiche der Seitenflächen 20, 22, 24 der Bauelemente 12, 14 im Bereich von zu erwärmenden Fügeflächen 16, 18 der Bauelemente 12, 14 erstreckt. Des Weiteren erkennt man, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule 10 der Geometrie der Bauelemente 12, 14 angepasst ist. Zudem wird durch die in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Ausgestaltung der Induktionsspule 10 ein Stromverlauf auf den Fügeflächen 16, 18 erzeugt, der senkrecht zum Verlauf der parallel zueinander ausgebildeten Bereiche der Induktionsspule 10 an einer Ober- und Unterseite 20, 22 der Bauelemente 12, 14 erzeugt wird. Der Stromverlauf ist durch schwarze Pfeile gekennzeichnet. Es entsteht ein gleichmäßiger Stromverlauf, der über die gesamte Fläche der Fügeflächen 16, 18 verläuft und somit eine gleichmäßige Erwärmung der Fügeflächen 16, 18 über deren gesamten Bereich ermöglicht.
Die 4a und 4b zeigen schematische Darstellungen einer Vorrichtung 28 zur induktiven Erwärmung der metallischen Bauelemente 12, 14. Die Vorrichtung 28 umfasst dabei einen Generator 30 und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Induktionsspule 10, die wiederum mäanderförmig ausgebildet ist und derart um die Bauelemente 12, 14 geformt ist, dass sie sich über einen Teilbereich der Seitenflächen der Bauelemente 12, 14 im Bereich der zu erwärmenden Flächen bzw. Fügeflächen 16, 18 erstreckt (vergleiche auch 3). Man erkennt, dass die Induktionsspule über zwei elektrische Anschlüsse 32, 34 mit dem Generator 30 verbunden ist. Eine Halte- und Zuführvorrichtung 36 dient zum Heranführen des Bauelementes 14 an das Bauelement 12, wobei ein entsprechendes Heranführen nach einer genügenden Erwärmung der Fügeflächen 16, 18 erfolgt. Die induktive Erwärmung erfolgt im Rahmen eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahres zum Verbinden der beiden metallischen Bauelemente 12, 14. Die beim induktiven Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißen verwendeten Frequenzen werden dabei aus einem Bereich zwischen 0,05 bis 2,5 MHz gewählt. In 4b ist die Vorrichtung 28 mit nur einem Bauelement 14 dargestellt. Man erkennt deutlich die mäanderförmige, dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule 10. Die Induktionsspule 10 ist dabei derart ausgestaltet, dass das Bauelement 14 bzw. beide Bauelemente 12, 14 ohne Weiteres in die Induktionsspule 10 eingeführt werden können. Bei Bauelementen 12, 14 mit einem sehr großen Querschnitt der Fügeflächen 16, 18 kann es zu einem seitlichen Materialaustrieb kommen. Dieser kann durch übliche Maßnahmen wie z. B. ein Sputterätzen beseitigt werden. Zudem können die Fügeflächen 16, 18 kugelgestrahlt werden. Des Weiteren wird durch ein Aufmaß im Induktionsspulenbereich eine Überhitzung des Grundwerkstoffs der Bauelemente 12, 14 vermieden. Bei der Herstellung oder Reparatur von Schaufeln einer Gasturbine ist vorteilhafterweise fast kein Stromfluss im Kantenbereich festzustellen, so dass auch hier unerwünschte Beeinflussungen vermieden werden.
Durch das Ausführungsbeispiel wird deutlich, dass die Vorrichtung 28 sowohl für die Herstellung wie auch die Reparatur von Bauelementen und Bauteilen einer Gasturbine geeignet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19858702 A1 [0002]
- EP 1112141 B1 [0003]
- EP 1140417 B1 [0003]

Claims

Induktionsspule zur Verwendung in Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente (12, 14) jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen (20, 22, 24, 26) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (10) mäanderförmig ausgebildet ist und derart um das oder die Bauelemente (12, 14) geformt ist, dass sie sich über zumindest einen Teilbereich der Seitenfläche oder der Seitenflächen (20, 22, 24) des oder der zu erwärmenden Bauelemente (12, 14) im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen (16, 18) erstreckt.
Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule (10) der Geometrie des oder der Bauelemente (12, 14) angepasst ist.
Induktionsspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule (10) derart ausgebildet ist, dass der Stromverlauf auf der Fläche oder den Flächen (16, 18) senkrecht zum Verlauf von parallel zueinander ausgebildeten Bereichen der Induktionsspule (10) an einer Ober- und Unterseite (20, 22) der Bauelemente (12, 14) ausgebildet ist.
Induktionsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche oder die Flächen (16, 18) Verbindungsflächen von zwei miteinander zu fügenden Bauelementen (12, 14) sind.
Induktionsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (10) mindestens eine Kühlvorrichtung aufweist.
Induktionsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur induktiven Erwärmung ein induktives Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, ist.
Induktionsspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beim induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen verwendeten Frequenzen aus einem Bereich zwischen 0,05–2,5 MHz gewählt werden.
Verfahren zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente (12, 14) jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen (20, 22, 24, 26) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines oder mehrerer zu erwärmender Bauelemente (12, 14); b) Heranführung von mindestens einer Induktionsspule (10) an das oder die Bauelemente (12, 14) oder Heranführen des oder der Bauelemente (12, 14) an die mindestens eine Induktionsspule (10), wobei die Induktionsspule (10) mäanderförmig ausgebildet ist und derart um das oder die Bauelemente (12, 14) geformt ist, dass sich die Induktionsspule (10) über zumindest einen Teilbereich der Seitenfläche oder der Seitenflächen (20, 22, 24) des oder der zu erwärmenden Bauelemente (12, 14) im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen (16, 18) erstreckt und Einführen des oder der zu erwärmenden Bauelemente (12, 14) in die Induktionsspule (10); und c) Induktive Erwärmung des Bauelements oder der Bauelemente (12, 14) in einem Arbeitsbereich der Induktionsspule (10).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule (10) der Geometrie des oder der Bauelemente (14, 16) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule (10) derart ausgebildet ist, dass der Stromverlauf auf der Fläche oder den Flächen (16, 18) senkrecht zum Verlauf von parallel zueinander ausgebildeten Bereichen der Induktionsspule (10) an einer Ober- und Unterseite (20, 22) der Bauelemente (12, 14) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung gemäß Verfahrensschritt c) ein induktives Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beim induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen verwendeten Frequenzen aus einem Bereich zwischen 0,05–2,5 MHz gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung gemäß Verfahrensschritt c) ein induktives Löten zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung gemäß Verfahrensschritt c) zur Beseitigung von Eigenspannungen von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (12) eine Schaufel oder ein Teil einer Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und das zweite Bauelement (14) ein Ring oder eine Scheibe des Rotors oder ein am Umfang des Rings oder der Scheibe angeordneter Schaufelfuß ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente Teile einer Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine sind.
Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei die Bauelemente (12, 14) jeweils eine oder mehrere den jeweiligen Bauelementquerschnitt umgebende Seitenflächen (20, 22, 24, 26) aufweisen, mit mindestens einem Generator (30) und mindestens einer Induktionsspule (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (10) mäanderförmig ausgebildet ist und derart um das oder die Bauelemente (12, 14) geformt ist, dass sich die Induktionsspule (10) über zumindest einen Teilbereich der Seitenfläche oder der Seitenflächen (20, 22, 24) des oder der zu erwärmenden Bauelemente (12, 14) im Bereich einer zu erwärmenden Fläche oder von mehreren zu erwärmenden Flächen (16, 18) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule (10) der Geometrie des oder der Bauelemente (14, 16) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Induktionsspule (10) derart ausge bildet ist, dass der Stromverlauf auf der Fläche oder den Flächen (16, 18) senkrecht zum Verlauf von parallel zueinander ausgebildeten Bereichen der Induktionsspule (10) an einer Ober- und Unterseite (20, 22) der Bauelemente (12, 14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche oder die Flächen (16, 18) Verbindungsflächen von zwei miteinander zu fügenden Bauelementen (12, 14) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (28) mindestens eine Kühlvorrichtung (24) für die Induktionsspule (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Erwärmung ein induktives Nieder- oder Hochfrequenz-Pressschweißverfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die beim induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen verwendeten Frequenzen aus einem Bereich zwischen 0,05–2,5 MHz gewählt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (28) Mittel aufweist, die eine Durchführung des induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen im Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Induktionsspule (10) und dem oder den Bauelementen (12, 14) im Bereich der zu erwärmenden oder zu verbindenden Abschnitte der Bauelemente (12, 14) zumindest teilweise ein Isolator angeordnet ist, wobei der Isolator mindestens eine dem oder den Bauelementen (12, 14) zugewandte Fläche aufweist und aus einem Material besteht, welches aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften die magnetische Wechselwirkung zwischen der Induktionsspule (10) und den zu erwärmenden Bauelementen (12, 14) nicht wesentlich oder nicht behindert.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Isolators von der Induktionsspule (10) und/oder dem oder den Bauelementen (12, 14) beabstandet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator schicht- oder folienförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der dem oder den Bauelementen (12, 14) zugewandten Fläche des Isolators der Geometrie des oder der einzuführenden Bauelemente (12, 14) angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator aus Glas, insbesondere aus hochtemperaturbeständigen Quarzglas, einer hochtemperaturbeständigen Keramik oder einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht.
Bauteil hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16 oder mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein BLING oder BLISK ist.