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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Schichtdicke
einer TBC-Beschichtung wenigstens einer Laufschaufel von einer Strömungsmaschine.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Ermitteln der Schichtdicke
einer TBC-Beschichtung wenigstens einer Leitschaufel von einer Strömungsmaschine.
Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende TBC-Schichtdickenmessvorrichtung zur
Durchführung
der Verfahren sowie eine Verwendung des Verfahrens und der TBC-Schichtdickenmessvorrichtung.
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Strömungsmaschinen,
wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, werden als Wärme-Kraft-Maschinen
in der Technik eingesetzt, um eine in einem Gasstrom gespeicherte
Energie in eine mechanische Energie, insbesondere in eine Drehbewegung,
zu überführen.
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Um
gerade bei Gasturbinen einen möglichst großen Gesamtwirkungsgrad
hinsichtlich der Energieausnutzung zu erreichen, werden die Gaseintrittstemperaturen
von der Brennkammer in den Strömungskanal
der Gasturbine möglichst
hoch gewählt. Beim
Stand der Technik liegen solche Gaseintrittstemperaturen beispielsweise
bei 1200°C.
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Damit
die in dem Strömungskanal
der Turbine angeordneten Schaufeln der thermischen Beanspruchung
standhalten, werden sie mit einer Oberflächenbeschichtung, einer so
genannten TBC-Beschichtung („Thermal-Barrier-Coating"-Beschichtung), versehen.
Eine derartige Beschichtung der Schaufeln unterliegt jedoch einer
Alterung, indem diese mit der Zeit von der Schaufel in Abhängigkeit der
Betriebsdauer abgetragen wird, so dass die Schichtdicke stetig abnimmt.
Bei fehlender TBC-Beschichtung
unterliegt die Schaufel einer sehr hohen thermischen Belastung,
die zur Zerstörung
der Schaufel führt.
Eine Leistungsverminderung oder letzten Endes eine Beschädigung der
Turbine kann die Folge sein.
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In
der WO 2004/065918 A2 ist ein Verfahren zum Ermitteln der Güte eine
TBC-Beschichtung von Schaufeln einer Strömungsmaschine, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens angegeben. Hierbei werden elektromagnetische Wellen im
Bereich der Schaufeln ausgesendet und der von den Schaufeln reflektierte
Anteil der elektromagnetischen Wellen wieder empfangen und ausgewertet. Bei
der Auswertung wird die Intensität
der empfangenen elektromagnetischen Wellen bestimmt, aus welcher
dann die Oberflächengüte der Schaufeln
ermittelt wird. Mittels dieses Verfahrens lässt sich die Existenz einer
Beschichtung gut nachweisen. Eine genaue Information über die
Schichtdicke zu bekommen, ist insbesondere bei Zimmertemperatur
kaum möglich,
da die Amplitudendämpfung
der elektromagnetischen Welle im Systemrauschen nahezu untergeht.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren, eine TBC-Schichtdickenmessvorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens, eine Verwendung des Verfahrens und eine Verwendung
der TBC-Schichtdickenmessvorrichtung anzugeben, mit welchen die
Schichtdicke einer TBC-Beschichtung von Schaufeln einer Strömungsmaschine
insbesondere auch während
des Betriebs möglichst
genau bestimmt werden kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 oder 2 angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
handelt es sich um ein Verfahren zum Ermitteln der Schichtdicke
einer TBC-Beschichtung wenigstens einer Laufschaufel von einer Strömungsmaschine,
wobei
- – mindestens
eine elektromagnetische Welle auf die Oberfläche der wenigstens einen Laufschaufel ausgesendet
wird,
- – die
mindestens eine elektromagnetische Welle von der wenigstens einen
Laufschaufel zumindest teilweise reflektiert wird, und
- – der
reflektierte Anteil der mindestens einen elektromagnetischen Welle
empfangen und weiterverarbeitet wird,
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Das
Verfahren ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass
- – die mindestens
eine elektromagnetische Welle mit einer an die Schichtdicke der
TBC-Beschichtung angepassten Frequenz ausgesendet wird,
- – die
Phase der mindestens einen ausgesandten elektromagnetischen Welle
mit der Phase der mindestens einen empfangenen elektromagnetischen
Wellen verglichen wird, wobei die mindestens eine ausgesandte elektromagnetische
Welle bei der Reflektion eine Phasenänderung erfährt, und
- – mittels
des Phasenvergleichs die Schichtdicke der TBC-Beschichtung ermittelt wird.
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Weiter
wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln der Schichtdicke
einer TBC-Beschichtung wenigstens einer Leitschaufel von einer Strömungsmaschine,
wobei
- – mindestens
eine elektromagnetische Welle auf die Oberfläche der wenigstens einen Leitschaufel ausgesendet
wird,
- – die
mindestens eine elektromagnetische Welle von der wenigstens einen
Leitschaufel zumindest teilweise reflektiert wird, und
- – der
reflektierte Anteil der mindestens einen elektromagnetischen Welle
empfangen und weiterverarbeitet wird.
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Das
Verfahren ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass
- – die mindestens
eine elektromagnetische Welle mit einer an die Schichtdicke der
TBC-Beschichtung angepassten Frequenz ausgesendet wird,
- – die
Phase der mindestens einen ausgesandten elektromagnetischen Welle
mit der Phase der mindestens einen empfangenen elektromagnetischen
Wellen verglichen wird, wobei die mindestens eine ausgesandte elektromagnetische
Welle bei der Reflektion eine Phasenänderung erfährt, und
- – mittels
des Phasenvergleichs die Schichtdicke der TBC-Beschichtung ermittelt wird.
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Es
wird dabei ausgenutzt, dass die Phasendifferenz zwischen ausgesandter
Welle und reflektiertem Wellenanteil Informationen über die
Schichtdicke der TBC-Beschichtung enthält, die durch Auswertung des
reflektierten Wellenanteils ermittelt werden kann. Die Phasendifferenz
ist dabei abhängig von
der Schichtdicke der TBC-Beschichtung, und zwar beträgt sie bei
nicht vorhandener TBC-Beschichtung 0° und nimmt bei zunehmender Schichtdicke
stetig zu.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich
aus den von Anspruch 1 oder 2 abhängigen Ansprüchen.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, wenn sowohl die Schichtdicke der TBC-Beschichtung
der wenigstens einen Laufschaufel als auch die Schichtdicke der
TBC-Beschichtung der wenigstens einen Leitschaufel ermittelt werden.
Damit ist eine umfassende Überwachung
der unter besonderer Belastung stehenden Komponenten der Strömungsmaschine
möglich.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn aus dem Wert der Phasenänderung die Schichtdicke der
TBC-Beschichtung der Schaufeln ermittelt wird. Hierbei wird mindestens
eine elektromagnetische Welle mit einer vorgegebenen Frequenz bzw.
Wellenlänge
ausgesendet. Insbesondere liegt die ((2n + 1)/4)-fache Wellenlänge mit
n = 0, 1, 2, ... in der Größenordnung
von ±50%,
vorzugsweise ±20%,
der Schichtdicke, damit ein besonders großer Phasengradient, d.h. Verhältnis von
Phasenänderung
zu Schichtdickenänderung, vorliegt.
Damit ist es möglich,
selbst bei niedriger Amplitudendämpfung
die Schichtdicke zu bestimmen. Bei abnehmender Schichtdicke der
TBC-Beschichtung ist dabei die Phasenänderung, d.h. Phasendifferenz
zwischen ausgesandter welle und reflektiertem Wellenanteil, geringer.
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Weiter
ist von Vorteil, wenn mindestens eine Resonanzfrequenz ermittelt
wird, wobei die Phasenänderung
bei der Resonanzfrequenz einem Wert von (360°·n + 180°) mit n = 0, 1, 2, ... entspricht,
und aus dem Wert der mindestens einen Resonanzfrequenz die Schichtdicke
der TBC-Beschichtung der Schaufeln ermittelt wird. Da einer Phasenänderung von
(360°·n + 180°) jeweils
eine Resonanzfrequenz zugeordnet ist und die Resonanzfrequenz schichtdickenabhängig sind,
liefert eine Bestimmung mindestens einer Resonanzfrequenz über die
Phasenänderung
von (360°·n + 180°) die gewünschte Schichtdickeninformation.
Bei der jeweiligen Resonanzfrequenz ist nämlich die zugeordnete Wellenlänge der ausgesandten
elektromagnetischen Welle gerade (4/(2n + 1))-mal so groß, wie die
Dicke der TBC-Beschichtung.
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Es
ist dabei günstig,
wenn das mindestens eine Mittel zum Erzeugen der mindestens einen
elektromagnetischen Welle für
den Empfang der reflektierten mindestens einen elektromagnetischen
Welle verwendet wird. Die damit gewonnene Platzersparnis ermöglicht das
Anbringen mehrerer kombinierter Sende- und Empfangsmittel an verschiedenen
Stellen der Strömungsmaschine.
So können
beispielsweise über
den Umfang der Strömungsmaschine verteilt
angeordnete Mittel zum Aussenden und Empfangen elektromagnetischer
Wellen verwendet werden, wobei eine Anordnung bedarfsgerecht vorgesehen
sein kann.
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Vorteilhaft
ist, wenn als mindestens eine elektromagnetische Welle mindestens
eine Millimeterwelle im Frequenzbereich von 30 GHz bis 130 GHz,
insbesondere von 50 GHz bis 90 GHz, vorgesehen wird. Die Wellenlängen der
elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen aus diesem Frequenzbereich
liegen somit in der typischen Größenordnung der
Schichtdicke der TBC-Beschichtung, so dass eine besonders ausgeprägte Phasenänderung
bei Reflektion gewährleistet
ist.
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Vorteilhafterweise
kann die Ermittlung der Schichtdicke der TBC-Beschichtung während des Betriebs
der Strömungsmaschine
vorgesehen sein. Hiermit ist eine Online Schichtdickenmessung möglich, die
ein zeitnahes Eingreifen bei sich abzeichnender riskanter Abnahme
der TBC-Beschichtung ermöglicht.
Stillstandzeiten der Strömungsmaschine, die
auf vorsorgliche Prüfung
der TBC-Beschichtung oder auch auf Reparaturmaßnahmen an beschädigten Schaufeln
zurückzuführen sind,
können
so vermieden werden
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine TBC-Schichtdickenmessvorrichtung entsprechend den
Merkmalen des Patentanspruchs 9 angegeben.
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Demgemäß soll die
TBC-Schichtdickenmessvorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren
vorgeschlagen mit
- – mindestens einem Mittel zum
Erzeugen einer elektrischen Schwingung,
- – mindestens
einem Mittel zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen aus der Schwingung,
- – mindestens
einem Mittel zum Empfang elektromagnetischer Wellen und
- – einer
Auswerteeinheit zur Auswertung der empfangbaren elektromagnetischen
Wellen
dahingehend ausgestaltet sein, dass - – die
Auswerteeinheit Mittel zum Vergleich der Phase der mindestens einen
ausgesandten elektromagnetischen welle mit der Phase der mindestens
einen empfangenen elektromagnetischen Wellen umfasst.
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Bei
der erfindungsgemäßen TBC-Schichtdickenmessvorrichtung
ergeben sich die vorstehend für
das erfindungsgemäße Verfahren
erläuterten
Vorteile.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der TBC-Schichtdickenmessvorrichtung gemäß der Erfindung
ergeben sich aus den von Anspruch 9 abhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhaft
sind das mindestens eine Mittel zur Erzeugung der mindestens einen
elektromagnetischen Wellen und das mindestens eine Mittel zum Empfang
der reflektierten mindestens einen elektromagnetischen Welle in
einem Strömungskanal
der Strömungsmaschine
angeordnet. Diese können
jeweils durch Antennen gebildet sein, die geeignet sind, elektromagnetische
Millimeterwellen zu erzeugen und auszusenden bzw. zu empfangen.
Das mindestens eine Mittel zum Erzeugen einer elektrischen Schwingung
kann beispielsweise durch einen elektronischen Oszillator gebildet
sein, der mit der Antenne zur Erzeugung der mindestens einen elektromagnetischen
Welle in Wirkverbindung steht. Das Mittel zum Empfang elektromagnetischer
Wellen steht vorzugsweise mit einer Auswerteeinheit in Wirkverbindung,
die in der Lage ist, aus den vom Mittel zum Empfang gelieferten
Signalen die Schichtdicke der TBC-Beschichtung der Schaufeln zu
ermitteln. Darüber
hinaus ist es denkbar, dass das mindestens eine Mittel zur Erzeugung
der mindestens einen elektromagnetischen Welle und das mindestens
eine Mittel zum Empfang der reflektierten mindestens einen elektromagnetischen
Welle außerhalb
des Strömungskanals
der Strömungsmaschine
angeordnet sind. Die erzeugte mindestens eine elektromagnetische
Welle wird dann über
mindestens einen entsprechend positionierten im Strömungskanal
der Strömungsmaschine
angeordneten Wellenleiter in den Strömungskanal ausgesendet. Die
an den Schaufeln reflektierte mindestens eine elektromagnetische
Welle wird ebenfalls über
mindestens einen Wellenleiter an das mindestens eine Mittel zum
Empfangen geleitet.
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Dabei
ist es vorteilhaft, dass die mindestens eine elektromagnetische
Welle mit der mindestens einen Antenne gerichtet und/oder fokussierbar
auszusenden ist. Hiermit ist eine gezielte Schichtdickenmessung
gewährleistet.
Zudem kann auch eine Ortsauflösung
der Schichtdickenmessung an den Schaufeln ermöglicht werden, wenn darüber hinaus
die Antenne derart ausgeführt
ist, dass Translationen und/oder Drehungen der Antenne möglich sind.
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Weiterhin
wird vorteilhaft vorgesehen, dass das mindestens eine Mittel zur
Erzeugung elektromagnetischer Wellen sowohl zum Senden als auch
zum Empfang elektromagnetischer Wellen geeignet ist. Die Anzahl
der Bauelemente kann auf diese Weise weiter reduziert werden. So
kann beispielsweise das mindestens eine Mittel zur Erzeugung elektromagnetischer
Wellen über
ein Kopplungsmittel mit dem Mittel zum Erzeugen einer Schwingung
in Wirkverbindung stehen. Die Signale, die auf die empfangenen elektromagnetischen
Wellen zurückzuführen sind, werden über das
Kopplungsmittel der Auswerteeinheit zugeführt. Es können auch mehrere Kopplungsmittel
und Antennen vorgesehen sein, die beispielsweise parallel mit mehreren
zugeordneten Auswerteeinheiten oder auch mit beispielsweise einer
Auswerteeinheit im Zeitmultiplex in Verbindung stehen.
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Bevorzugt
kann die Strömungsmaschine eine
Dampf- oder Gasturbine sein. Gerade im Großmaschinenbereich kann mit
der erfindungsgemäßen TBC-Schichtdickenmessvorrichtung
eine einfache, betriebssichere und genaue Schichtdickenmessung der
TBC-Beschichtung der Gasturbinenschaufeln erreicht werden, wodurch
ein effektiverer Betrieb gewährleistet
werden kann und insbesondere teure Stillstandzeiten wegen Wartung
und Reparaturmaßnahmen
wegen zerstörter
TBC-Beschichtungen und Schaufeln weiter reduziert werden können. So
kann beispielsweise eine Erhöhung
der Verfügbarkeit
einer mit einer Gasturbine ausgerüsteten Energieversorgung erreicht
werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann darüber
hinaus derart ausgestaltet sein, dass die Auswirkungen auf die Dampf-
oder Gasturbine im Strömungskanal
der Strömungsmaschine
weitgehend gering gehalten werden.
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Mit
der Erfindung wird ferner eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Ermitteln der Schichtdicke einer TBC-Beschichtung in einer Dampf- oder Gasturbine
angegeben.
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Mit
der Erfindung wird überdies
eine Verwendung der erfindungsgemäßen TBC-Schichtdickenmessvorrichtung
im Strömungskanal
der Strömungsmaschine,
wobei das mindestens eine Mittel zur Erzeugung elektromagnetischer
Wellen im Strömungskanal
der Strömungsmaschine
angeordnet ist.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn eine Dampf- oder Gasturbine als Strömungsmaschine
vorgesehen ist.
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Bevorzugte,
jedoch keinesfalls einschränkende
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung
ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und
gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen
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1 eine
Gasturbine des Stands der Technik in einer teilweise aufgeschnittenen,
perspektivischen Ansicht,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Ausschnitts aus der Zeichnung in 1 mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein
Prinzipschaltbild zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine
Laufschaufel der Gasturbine in 1,
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5 eine
Leitschaufel der Gasturbine in 1,
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6 eine
spektrale Intensitätsverteilung und
einen Phasenverlauf reflektierter elektromagnetischer Wellen bei
gleicher Schichtdicke der TBC-Beschichtung in Abhängigkeit
der Wellenfrequenz,
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7 drei
Phasenverläufe
reflektierter elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Wellenfrequenz
in Abhängigkeit
der Schichtdicke der TBC-Beschichtung,
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8 den
Zusammenhang zwischen reziproker Resonanzfrequenz und Schichtdicke
der TBC-Beschichtung und
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9 eine
Antennen-Anordnung zur Überwachung
von Leit- und/oder
Laufschaufeln.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 9 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine Gasturbine 1 des Standes der Technik dargestellt,
die für
eine hohe Gaseintrittstemperatur von ca. 1200°C konzipiert ist. Die Gasturbine 1 weist
an einer in einem Gehäuse 2 drehbar gelagerten
Rotorwelle 3 angeordnete Laufschaufeln 4 auf.
Ferner sind mit dem Gehäuse 2 drehfest
verbundene Leitschaufeln 11 vorgesehen (vgl. 4, 5).
Die Laufschaufeln 4 und die Leitschaufeln 11 sind
jeweils mit einer TBC-Beschichtung 12 versehen, um den
physikalischen Beanspruchungen im Strömungskanal 6 der Gasturbine 1 Stand
zu halten. Bei der TBC-Beschichtung 12 (TBC: Termal-Barrier-Coating) handelt
es sich beispielsweise um „Yttrium
stabilisiertes Zirkoniumoxid" (so
genanntes „YSZ").
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Wie
in 2 dargestellt, ist die Turbine 1 mit einer
erfindungsgemäßen TBC-Schichtdickenmessvorrichtung
ausgestattet, welche eine Antenne 8, insbesondere eine
für Millimeterwellen
ausgeführte
Antenne, aufweist, die in den Strömungskanal 6 der Gasturbine 1 hineinragt.
Die Antenne 8, die insbesondere für elektromagnetische Wellen
mit Frequenzen von 30 GHz bis 130 GHz, insbesondere mit Frequenzen
von 50 GHz bis 90 GHz, vorgesehen ist, ist im Bereich der zu untersuchenden
Schaufeln 4, 11 insbesondere zwischen zwei Schaufelreihen
angeordnet. Die Antenne 8 dient als Mittel zum Aussenden
von elektromagnetischen Wellen und kann auch als Mittel zum Empfang
von elektromagnetischen Wellen eingesetzt werden. Die Antenne 8 steht
in Kommunikationsverbindung mit einem Zirkulator 16. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist ferner einen Hochfrequenzgenerator 14 auf, der über einen Verstärker 15 mit
dem Zirkulator 16 in Wirkverbindung steht. Der Zirkulator 16 steht
mit einem Empfangsverstärker 17 in
Verbindung, der mit der Auswerteeinheit 19 gekoppelt ist.
Die Auswerteeinheit 19 selbst ist wiederum mit dem Hochfrequenzgenerator 14 verbunden.
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Im
Einzelnen läuft
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Ermitteln der Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12 von
Lauf- und Leitschaufeln 4 und 11 gemäß 3 folgendermaßen ab:
Der
elektronische Hochfrequenzgenerator 14 erzeugt eine Hochfrequenz
mit einer festen, vorgebbaren Frequenz im Bereich zwischen 30 GHz
und 130 GHz, vorzugsweise zwischen 50 GHz und 90 GHz, liegt. Die
Hochfrequenz wird dem Verstärker 15 zugeführt, der
seinerseits die verstärkte
Hochfrequenz über
den Zirkulator 16 der Antenne 8 zuführt. Die
Antenne 8 erzeugt aus der zugeführten Hochfrequenzenergie mindestens
eine entsprechende elektromagnetische Welle 31 und sendet
diese gemäß ihrer Strahlungscharakteristik,
vorzugsweise gerichtet und insbesondere fokussiert, aus. Mindestens
eine entsprechende Schaufel 4, 11 reflektiert
einen Anteil 32 der ausgesandten mindestens einen elektromagnetischen
Welle 31 zurück
zur insbesondere selben Antenne 8. Die reflektierten elektromagnetischen
Wellen 32 werden über
die Antenne 8 wieder in ein elektrisches Signal gewandelt,
welches dem Zirkulator 16 zugeführt wird. Der Zirkulator 16 trennt
nun das empfangene Signal vom gesendeten Signal und führt dies dem
Empfangsverstärker 17 zu.
Vom Empfangsverstärker 17 gelangt
das Signal zur Auswerteeinheit 19.
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In 6 sind
in einem Graphen G1 eine frequenzabhängige spektrale Intensitätsverteilung
S und ein entsprechender frequenzabhängiger Phasenverlauf φ einer reflektierten
elektromagnetischen Welle 32 bei konstanter Schichtdicke
der TBC-Beschichtung 12 angegeben. Die gestrichelte Ordinate gibt
die Intensität
I der reflektierten elektromagnetischen Welle 32 an, während die
durchgezogene Ordinate die Phasendifferenz Δφ zwischen ausgesandter Welle 31 und
reflektiertem Wellenanteil 32 zeigt. Auf der Abszisse ist
die Frequenz aufgetragen. Die abgebildete Intensitätsverteilung
weist ein Minimum bei einer bestimmten Frequenz fr, der so genannten Resonanzfrequenz auf.
Bei dieser Resonanzfrequenz fr entspricht 1/4 der Wellenlänge der
elektromagnetischen Welle 31, 32 in der TBC-Beschichtung 12 gerade
der Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12. Hierbei löschen sich
die an der Oberfläche
der TBC-Beschichtung 12 und die an der Grenzfläche von
TBC-Beschichtung 12 und dahinter liegendem Metall reflektierten
Anteile der ausgesandten elektromagnetischen Welle 31 gegenseitig
zumindest teilweise aus. Der Phasenverlauf φ zeigt eine Phasendifferenz Δφ von 0° bei niedrigen
Frequenzen, die zu höheren
Frequenzen hin stetig zunimmt. Bei der in 6 abgebildeten
Resonanzfrequenz fr weist der Phasenverlauf φ den höchsten Gradienten auf, wobei der
Wert der Phasendifferenz Δφ 180° entspricht.
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Neben
der in 6 angegebenen Resonanzfrequenz fr, gibt es noch
weitere nicht dargestellte Resonanzfrequenzen frn mit
n = 0, 1, 2, ..., wobei fr = fr0.ist. So
gilt, dass bei jeder Resonanzfrequenz frn das
((2n + 1)/4)-fache der Wellenlänge
der elektromagnetischen Welle 31, 32 in der Oberflächenbeschichtung
gerade der Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12 entspricht.
Die Phasendifferenz Δφ bei der
jeweiligen Resonanzfrequenz frn ist dann
entsprechend mit Δφ = (360°·n + 180°) gegeben.
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In 7 sind
in einem weiteren Graphen G2 beispielhaft drei Phasenverläufe φ1, φ2 und φ3 von reflektierten
elektromagnetischen Wellen 32 unterschiedlicher Frequenz
f1 (90 GHz), f2 (70 GHz) bzw. f3 (50 GHz) angegeben, wobei die Ordinate
die Phasendifferenz Δφ zwischen
ausgesandter Welle 31 und reflektiertem Wellenteil 32 angibt
und auf der Abszisse die Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12 aufgetragen
ist. Bei fehlender TBC-Beschichtung 12 genauso wie bei
geringen Schichtdicken der TBC-Beschichtung 12 beträgt die Phasendifferenz Δφ für alle drei
Frequenzen f1, f2, f3 0°.
Nimmt die Schichtdicke zu, vergrößert sich
die Phasendifferenz Δφ bis hin
zu einem Betrag von 360° im
abgebildeten Graphen G2; dabei ist der größte Gradient in allen Phasenverläufen φ1, φ2, φ3 bei einer
Phasendifferenz Δφ von 180° zu finden.
Hier tritt der oben beschriebene Resonanzfall ein, und zwar als
Beispiel für
n = 0. Bei einer Phasendifferenz Δφ von 180° entspricht
die Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung 12 gerade
1/4 der Wellenlänge
der elektromagnetischen Welle 31, 32 in der TBC-Beschichtung 12. Die
Frequenzen f1, f2, f3 der elektromagnetischen Wellen 32 kommen
dann Resonanzfrequenzen für die
entsprechende Schichtdicke gleich. Die jeweilige Schichtdicke beträgt somit
c/(4·fi)
mit i = 1,2,3, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen
Welle 31, 32 in der TBC-Beschichtung 12 ist.
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Mittels
der Auswerteeinheit 19 wird zunächst die Phasendifferenz Δφ zwischen
ausgesandter und reflektierter elektromagnetischer Welle 31, 32 ermittelt.
Dann wird die Phasendifferenz Δφ mit einer
zuvor erfassten Eichkurve verglichen, die einen Phasenverlauf beispielsweise
gemäß Graph
G2 aus 7 wiedergibt, und hieraus die Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12 bestimmt.
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In 7 ist
weiter zu erkennen, dass für
kleinere Frequenzen die Phasenverläufe φ1, φ2 und φ3 und damit auch die Resonanzfrequenzen
zu größeren Schichtdicken
hin verschoben sind.
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In 8 ist
in einem dritten Graphen G3 der Zusammenhang zwischen Resonanzfrequenz
frn bzw. reziproker Resonanzfrequenz frn –1 und Schichtdicke verdeutlicht.
Die Ordinate gibt die Schichtdicke an, während auf der Abszisse die
reziproke Resonanzfrequenz frn –1 aufgetragen
ist. Es ist zu sehen, dass der Zusammenhang zwischen Schichtdicke
und reziproker Resonanzfrequenz frn –1 durch
eine Gerade L bestimmt ist. Je kleiner die Resonanzfrequenz frn bzw. je größer die reziproke Resonanzfrequenz
frn –1 ist, desto größer ist
die Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12.
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Es
ist somit auch realisierbar, dass elektromagnetische Wellen 31 mit
einem breiten Frequenzband, das im Bereich zwischen 30 GHz und 130 GHz,
vorzugsweise zwischen 50 GHz und 90GHz, liegen kann, von der Antenne 8 ausgesendet
und nach der Reflektion an der mindestens einen Schaufel 4, 11 insbesondere
von der Antenne 8 wieder empfangen werden. Gewandelt in
ein elektrisches Signal werden diese dann über den Zirkulator 16 und Empfangsverstärker 17 der
Auswerteeinheit 19 zugeführt. Mittels der Auswerteeinheit 19 werden
die Phasendifferenzen Δφ zwischen
den ausgesandten und reflektierten elektromagnetischen Wellen 31, 32 ermittelt
und diejenigen Frequenzen frn mit einer
Phasendifferenz von Δφ = (360°·n + 180°), insbesondere mit
n = 0, identifiziert. Danach wird der reziproke Wert dieser Frequenzen
frn mit einer zuvor erfassten Eichgerade
verglichen, die die Relation zwischen Schichtdicke und reziproker
Resonanzfrequenz frn –1 gemäß Graph
3 aus 8 wiedergibt, und hieraus die Schichtdicke der
TBC-Beschichtung 12 bestimmt. Der Phasendifferenz von Δφ = 180° ist die „erste" Resonanzfrequenz
fr0 zugeordnet. Es ist aber auch denkbar,
Resonanzfrequenzen frn höherer Ordnung mit n > 0, die bei größeren Phasendifferenzen Δφ = (360°·n + 180°) liegen,
zu identifizieren und entsprechend auszuwerten.
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Die
ermittelte Schichtdicke der TBC-Beschichtung 12 wird über nicht
näher dargestellte
Anzeige- bzw. Meldeeinheiten an eine überwachende Stelle gemeldet
bzw. an eine Zentrale weitergeleitet. Die Auswerteeinheit kann auch
mit einer Vergleichsfunktion ausgestattet sein, mit der das Unterschreiten eines
vorgebbaren Schichtdickenschwellwertes feststellbar ist. So kann
beispielsweise bei Unterschreiten des Schwellwertes eine Meldung
automatisch ausgegeben werden, um eine geeignete Schutzmaßnahme,
wie beispielsweise das Abschalten der Turbine 1 einzuleiten.
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In 9 sind
beispielhafte Ausführungsformen
und Anordnungen verschiedener Antennen 81, 82 und 83 mit
jeweils zugehöriger
Strahlungscharakteristik 810, 820 bzw. 830 dargestellt.
Die Antennen 81, 82 und 83 sind im Strömungskanal 6 im
Bereich der zu untersuchenden Laufschaufeln 4 und/oder Leitschaufeln 11 zwischen
den Schaufelreihen angeordnet. Geeignet ist eine Ausführung als
Stab-Antenne oder als Koaxial-Anten ne, insbesondere als koaxial
ausgeführte
Dipolantenne. Andere Antennen-Formen, wie beispielsweise Hornantennen,
sind jedoch ebenfalls denkbar. Die Strahlungscharakteristik kann
symmetrisch, wie bei den Antennen 81 und 83, oder
aber asymmetrisch, wie bei der Antenne 82, ausgebildet
sein. Neben Antennen mit breiter Abstrahlcharakteristik können auch
Antennen verwendet werden, die die elektromagnetischen Wellen 31 gerichtet
und darüber
hinaus auch fokussierend abstrahlen können. Hierzu kommen insbesondere
die genannten Hornantennen in Frage.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt anzusehen.
Ebenso in den Schutzbereich hineingehörend ist, dass auch mehrere
Antennen 8 zum Aussenden und/oder für den Empfang vorgesehen sind,
um beispielsweise eine Redundanz der Messung oder auch eine höhere Genauigkeit
zu erreichen.
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Darüber hinaus
sieht die vorliegende Erfindung die Möglichkeit einer gleichzeitigen
Schichtdickenmessung der TBC-Beschichtung 12 genannter Schaufeln 4, 11 vor.