Parte componente para una turbina de gas y procedimiento para la fabricación de la parte componente.

Parle componenle para una lurbina de gas. sobre lodo conjunl0 "blisk" ó "bling" (bladed disk ó bladed ring,

es decir, disco ó aro, provistos de alabes integrales); en este caso, la parte componente comprende un cuerpo básico de rolar (12) así como una mullilud de alabes de lurbina (14) que eslán ensamblados en el cuerpo básico del rolar, y cada álabe de lurbina (14) comprende una hoja de álabe (16), hecha de una aleación de lilanio, como asimismo comprende un pie de álabe que eslá realizado en forma de un elemento de adaptación (18); parte componente ésta que está caracterizada porque el cuerpo básico de rotor (12) está hecho de una aleación de níquel, que es resistente a altas temperaturas, mientras que el elemento de adaptación (18) está hecho de un material que mediante soldadura puede ser unido, tanto con la aleación de titanio como con la aleación de níquel, que es resistente a las altas temperaturas, y este elemento de adaptación puede, a través de un ensamblaje, ser unido integralmente, tanto con el cuerpo básico (12) del rotor como con la hoja (16) del álabe; en este caso, el elemento de adaptación (18) comprende por lo menos una primera capa (26), que se compone de una aleación de níquel , que es resistente a las altas temperaturas, así como comprende por lo menos una segunda capa (28), que consiste en una aleación de titanio; como asimismo comprende este elemento de adaptación por lo menos una capa intermedia (30), que está situada entre la primera capa y la seguida capa, y la misma está prevista como barrera de difusión para los elementos que pueden formar unas fases de fragilidad

Parte componente para una turbina de gas y procedimiento para la fabricación de la parte componente.

(0001) La presente invención se refiere a una parte componente para una turbina de gas, conforme a lo indicado en el preámbulo de la reivindicación de patente 1) , como asimismo se refiere esta invención a un procedimiento para la fabricación de esta parte componente.

(0002) Los rotores para turbinas de gas disponen de un cuerpo básico del rotor así como de varios alabes que giran conjuntamente con este cuerpo básico del rotor. Estos alabes ó pueden formar parte integrante de este cuerpo básico del rotor ó los mismos pueden estar anclados en el cuerpo básico a través de unos pies de álabe y dentro de una ó varias ranuras del cuerpo básico del rotor. Los rotores con los alabes integrados en los mismos son conocidos como "blisks" ó "blings" (bladed disks ó bladed rings, es decir, discos ó aros, provistos de alabes integrales) , en función de que se trata de un cuerpo básico de rotor en forma de un disco ó de un aro.

(0003) A través de la Patente Alemana Núm, DE t O 2005 Ot 9 356 Ates conocido un procedimiento para el

acoplamiento de un álabe a un cuerpo básico del rotor durante la fabricación ó la reparación de un rotor para una turbina de gas con los alabes integrados, acoplamiento éste que tiene lugar a través de una soldadura por frotamiento. Durante esta soldadura por frotamiento, las partes componentes son ensambladas entre si a través de una fricción para de este modo quedar unidas mutuamente y de manera integral. En la soldadura por frotamiento lineal es así que una de las partes componentes es desplazada en la forma de vaivén, mientras que la otra parte componente se encuentra parada para con una determinada fuerza ser empujada contra la parte componente que está en movimiento. En este caso, las superiicies de ensamblaje de las partes componente, que han de ser unidas entre si, se unen mutualmente por medio de una forja en caliente. Conforme al procedimiento, descrito según el estado de la técnica, resulta que son preparadas previamente las dos partes componentes, que han de ser ensambladas ó unidas entre si, es decir, el cuerpo básico del rotor y el alabe, así como una parte adicional de ensamblaje, prevista como elemento de adaptación. Las dos partes componentes, que han de ser unidas entre si, y

el elemento de adaptación son alineados de tal manera entre si que este elemento de adaptación quede dispuesto como una pieza suplementaria entre los dos primeros elementos de construcción. Con el fin de unir estas partes componentes entre si, el elemento de adaptación es desplazado en relación con las primeras, por lo cual sobre el elemento de construcción parado es aplicada una fuerza de recalcado dentro de las zonas de ensamblaje, situadas entre las dos partes componentes y el elemento de adaptación,

(0004) Por medio del procedimiento descrito puede ser fabricado, de una manera relativamente sencilla, un rotor para turbinas de gas, el que de forma integral está provisto de los alabes, sea en forma de "blisk" ó de "bling", Sin embargo, las partes componentes , que han de ser unidas entre si, así como el elemento de adaptación tienen que estar hechos de un mismo material. Por consiguiente, al estar hechos el cuerpo básico del rotor y los alabes de, por ejemplo, una aleación básica de titanio, tiene que ser empleado un elemento de adaptación que también debe estar hecho de una aleación sobre la base de titanio.

(0005) También la Patente Europea Núm, EP t 526 252 revela un procedimiento para el ensamblaje de un álabe en un cuerpo básico del rotor según el estado de la técnica.

(0006) Sin embargo, hasta la presente no podía ser llevada a efecto una forma de construcción de "blisks", de tipo híbrido ó gradual, para un rotor de turbina de gas, en la que el cuerpo básico del rotor se componga de una aleación de níquel, resistente a altas temperaturas como, por ejemplo, de Inconel 7t 8, mientras que los alabes de la turbina estén hechos de una aleación de aluminio de titanio, TiAI, y esto debido al hecho de que con una temperatura de aplicación, de aproximadamente 650 e, se produce una difusión del material de los alabes -sobre todo del

Q

aluminio -hacia el interior de la zona de ensamblaje ó dentro del material del cuerpo básico del rotor. Por

consiguiente, la composición química del cuerpo básico del rotor y del álabe dentro de la zona de ensamblaje queda modificada de tal manera que se pueda presentar un estado del material con unas fases nuevas. Sin embargo, a causa de esta formación de las fases, se reducen tanto la fiabilidad como la vida útil de la zona de ensamblaje, Además, a causa de la distinta dilatación térmica de los materiales queda perjudicada la durabilidad del ensamblaje entre las partes componentes.

(0007) Partiendo de esta base, la presente invención tiene el objeto de proporcionar una novedosa parte componente para una turbina de gas en una híbrida forma de construcción por los conjuntos "blisk".

(0008) De acuerdo con la presente invención, este objeto se consigue por medio de la parte componente para una turbina de gas, la cual está indicada en la reivindicación de patente t) ,

(0009) Según la presente invención, está previsto que esta parte componente comprenda un cuerpo básico de rotor,

hecho de una aleación de níquel, que es resistente a altas temperaturas, así como una multitud de alabes que están acoplados al cuerpo básico del rotor, y cada uno de los mismos comprende una respectiva hoja de álabe, hecha de una aleación de titanio, así como un correspondiente pie de álabe. El pie de álabe está realizado en forma de un elemento de adaptación, que está hecho de un material que mediante soldadura puede ser unido, tanto con la aleación de titanio como con la aleación de níquel, que es resistente a altas temperaturas; en este caso, el elemento

de adaptación se encuentra, a través de un ensamblaje, integralmente unido con el cuerpo básico del rotor y con la hoja del álabe.

(0010) Por consiguiente, la presente invención permite llevar a efecto una forma de construcción a la manera de "blisks" y extremadamente sencilla para los rotores de tipo híbrido de las turbinas de gas según. por ejemplo. el procedimiento descrito en la Patente Alemana Núm. DE tO 2005 Ot9 356 At. con unos más ligeros alabes. hechos de TiAI, y con un cuerpo básico de rotor, hecho de un material que es resistente a las altas temperaturas, y el mismo admite unas cargas más elevadas. Teniendo en cuenta que las zonas del ensamblaje en el elemento de adaptación limitan con unos materiales de la misma composición ó de una composición similar, pueden ser eliminados de una manera segura los procesos de difusión que conducen a la formación de unas fases de fragilidad. De este modo, la unión ó ensamblaje entre el elemento de adaptación y la hoja del álabe Y. respectivamente. con el cuerpo básico del

rotor, es de una suficiente fiabilidad y tiene una larga vida útil. La calidad de las zonas de unión en el elemento de adaptación puede ser controlada de una manera segura por medio de unos ensayos no destructivos. La aleación de titanio de la hoja del álabe es elegida preferentemente del grupo de las aleaciones básicas de titanio y de las aleaciones de aluminio de titanio TiAI. De forma preferente. la hoja del álabe está hecha de una aleación de TiAI. con unas partes proporcionales de titanio, de aluminio y de niobio; con un contenido en aluminio entre el 35 y el 60 % de peso y con una parte proporcional de niobio del 2 hasta el t 6 % de peso. tal como estas partes proporcionales están descritas en la Patente Alemana Núm. DE t O 2004 022 578. De especial preferencia es la aleación de aluminio de Ti44At5Nb (átomo %) .

(OOt t) Como aleación de níquel. resistente a las altas temperaturas y prevista para el cuerpo básico del rotor. es empleada preferentemente una superaleación de níquel como. por ejemplo. ellnconel7t8. con un 50 hasta 55 % de níquel, con un 17 hasta 21 % de cromo, con unas reducidas partes proporcionales de Nb/Ta, Mo y Al, así como con otros elementos-traza, siendo la parte restante de hierro. Estas superaleaciones de níquel se caracterizan por su resistencia a la corrosión y a la fatiga a unas elevadas temperaturas. También pueden ser empleadas otras superaleaciones de níquel ó unas aleaciones básicas de níquel, conocidas según el estado de la técnica.

(0012) Según una primera forma para la realización de la presente invención es así que el elemento de adaptación está previsto con una estructura dividida en dos partes. Este elemento de adaptación comprende por lo menos una primera capa,... [Seguir leyendo]

1'. Parle componenle para una lurbina de gas. sobre lodo conjunl0 "blisk" ó "bling" (bladed disk ó bladed ring, es decir, disco ó aro, provistos de alabes integrales) ; en este caso, la parte componente comprende un cuerpo básico de rolar (12) así como una mullilud de alabes de lurbina (14) que eslán ensamblados en el cuerpo básico del rolar, y cada álabe de lurbina (14) comprende una hoja de álabe (16) , hecha de una aleación de lilanio, como asimismo comprende un pie de álabe que eslá realizado en forma de un elemento de adaptación (18) ; parte componente ésta que está caracterizada porque el cuerpo básico de rotor (12) está hecho de una aleación de níquel, que es resistente a altas temperaturas, mientras que el elemento de adaptación (18) está hecho de un material que mediante soldadura puede ser unido, tanto con la aleación de titanio como con la aleación de níquel, que es resistente a las altas temperaturas, y este elemento de adaptación puede, a través de un ensamblaje, ser unido integralmente, tanto con el cuerpo básico (12) del rotor como con la hoja (16) del álabe; en este caso, el elemento de adaptación (18) comprende por lo menos una primera capa (26) , que se compone de una aleación de níquel, que es resistente a las altas temperaturas, así como comprende por lo menos una segunda capa (28) , que consiste en una aleación de titanio; como asimismo comprende este elemento de adaptación por lo menos una capa intermedia (30) , que está situada entre la primera capa y la seguida capa, y la misma está prevista como barrera de difusión para los elementos que pueden formar unas fases de fragilidad.

2ª. Parte componente conforme a la reivindicación 1) y caracterizada porque la aleación de titanio es una aleación básica de titanio ó una aleación de aluminio de titanio.

3ª. Parte componente conforme a las reivindicaciones 1) ó 2) y caracterizada porque la aleación de titanio es una aleación de aluminio de titanio, con unas partes proporcionales de titanio, de aluminio y de niobio.

4ª. Parte componente conforme a la reivindicación 3) y caracterizada porque la aleación de aluminio de titanio tiene una parte proporcional de aluminio entre el 35 y 60 % de peso así como una parte proporcional de niobio entre el 2 y 16 % de peso, siendo la parte restante de titanio.

5ª. Parte componente conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 4) y caracterizada porque la aleación de níquel es una superaleación de níquel.

6ª. Parte componente conforme a la reivindicación 5) y caracterizada porque la superaleación de níquel comprende entre el 50 y 55 % de níquel; entre el 17 y 21 % de cromo, siendo la parte restante de hierro, aparte de comprender unas reducidas partes proporcionales de Nb/Ta, de Mo, de Ti y de Al, así como otros elementos-traza.

7) Parte componente conforme a la reivindicación 1) Y caracterizada porque la capa intermedia (30) comprende una aleación matriz del grupo de las aleaciones básicas de níquel, de las superaleaciones de níquel y de las aleaciones de TiAI, con unas partículas metálicas distribuidas dentro de la misma.

8ª. Parte componente conforme a la reivindicación 7) y caracterizada porque las partículas metálicas se componen de una aleación con el 2 hasta el 60 % de peso de aluminio, mientras que la parte restante consiste en por lo menos otro material adicional del grupo formado por el renio, iridio, rutenio, platino, tántalo, niobio, molibdeno y el tungsteno.

9ª. Parte componente conforme a la reivindicación 8) y caracterizada porque las partículas metálicas se componen de una aleación con el 2 hasta el 40 % de peso de aluminio; con el 5 hasta el 20 % de peso de un metal del grupo que está formado por el níquel, el cobalto, el vanadio y el cromo; mientras que la parte restante consiste en otro material más del grupo formado por el renio, iridio, rutenio, platino, tántalo, niobio, molibdeno y el tungsteno.

10ª. Parte componente conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 6) y caracterizada porque el elemento de adaptación (18) comprende una estructura gradual y el mismo tiene una composición que del material del cuerpo básico (12) del rotor pasa al material de la hoja (16) del álabe.

11ª. Parte componente conforme a la reivindicación 10) y caracterizada porque el contenido de titanio del elemento de adaptación (18) se incrementa, de forma continua ó de una manera escalonada, desde una capa de superiicie (32) , que está dirigida hacia el cuerpo básico (12) del rotor, en dirección hacia una capa de superficie (34) que está situada en frente de la primera y la misma está dirigida hacia la hoja (16) del álabe.

12'. Parte componente conforme a las reivindicaciones 10) Ú 11) Y caracterizada porque el contenido de níquel del elemento de adaptación (18) se reduce, de forma continua ó de una manera escalonada, desde una capa de superticie (32) , que está dirigida hacia el cuerpo básico (12) del rotor, en dirección hacia una capa de superticie (34) que está situada en frente de la primera y la misma está dirigida hacia la hoja (16) del álabe.

13ª. Parte componente conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 6) y caracterizada porque el elemento de adaptación (18) se compone de una aleación eutéctica de NiAI, con unas partes proporcionales de cromo, de molibdeno, de renio y/ó de tántalo.

14º. Parte componente conforme a la reivindicación 13) y caracterizada porque la aleación eutéctica de NiAI es de NiAITa, ., -Cr'-7 (átomo %) .

15ª. Parte componente conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 6) y caracterizada porque el elemento de 5 adaptación está hecho de un material cúbico de aluminio de titanio que corresponde a la fórmula general de M3TieAI22 Ó de MS-9Ti25AI66-67, en la que Mrepresenta Gr, Mn, Fe, Ca y Ni.

16ª. Procedimiento para la fabricación de una parte componente híbrida para una turbina de gas, sobre todo de un conjunto "blisk" ó "bling" (bladed disk ó bladed ring, es decir, disco ó aro, provistos de alabes integrales) ,

caracterizado porque una hoja de álabe (t 6) , hecha de una aleación de titanio, es -por medio de un ensamblaje integralmente unida con un cuerpo básico de rotor (t 2) , hecho de una aleación de níquel que es resistente a altas temperaturas; a este efecto, entre la hoja (16) del álabe y el cuerpo básico (12) del rotor está dispuesto un elemento de adaptación (18) que se compone de un material que mediante soldadura puede ser unido, tanto con la aleación de titanio como con la aleación de níquel, que es resistente a altas temperaturas; en este caso, el elemento de adaptación (18) comprende por lo menos una primera capa (26) , que se compone de la aleación de níquel, que es resistente a las altas temperaturas, así como comprende por lo menos una segunda capa (28) , que se compone de la aleación de titanio, como asimismo comprende este elemento de adaptación una capa intermedia (30) , que está dispuesta entre la primera capa y la segunda capa y la misma está prevista como una barrera de difusión para los elementos que pueden formar unas fases de fragilidad.

17<1. Procedimiento conforme a la reivindicación 16) y caracterizado porque el ensamblaje queda constituido por una soldadura por frotamiento.

·Fig. 1

- '~ "-~ " _. ....... .. _.. " -'''" .. .. '' _.~

r'-'''-

i

Fig.3

;;I ... -.......... ..... ......... ... :.34

I

~

: .. ............ --=-32

. ¡

--!--\

..... .... .. ~'-.... " .. .. .. _. . ......._....... ...

Fig.4 10

r

. .

/

-""J;~

, ,