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Die
Erfindung betrifft eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von
Eisablagerungen an Gasturbinenbauteilen, insbesondere Triebwerksbauteilen,
sowie eine Gasturbine, insbesondere Triebwerk, mit einer solchen
Detektionseinrichtung.
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Bei
Flugtriebwerken besteht die prinzipielle Gefahr, dass sich an diesen
im Flugbetrieb Eis bildet. Derartige Eisanlagerungen bzw. -ablagerungen
können
insbesondere im Inneren des Triebwerks auf dessen Eintrittsseite,
also beispielsweise im Bereich eines Fans bzw. Fangehäuses oder
im Bereich der Schaufeln der ersten Verdichterstufe oder der ersten Verdichterstufen
oder im innen gelegenen Gehäuseabschnitt
auf der Eintrittsseite auftreten.
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Derartige
Eisansammlungen bzw. Eisan- bzw. -ablagerungen – im folgenden wird vereinfacht von
Eisablagerungen gesprochen – können sich nachteilig
auf die Strömungsverhältnisse
oder auch die Lebensdauer von Triebwerken bzw. dessen Teilen auswirken.
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So
können
solche Eisablagerungen beispielsweise bewirken, dass die Strömungsquerschnitte
verringert bzw. die Strömungsverhältnisse bezüglich der
das Triebwerk durchströmenden
Luft verschlechtert werden. Eine weitere Gefahr kann beispielsweise
darin bestehen, dass sich Eisablagerungen zunächst bilden und später lösen, so
dass – so lange
nicht ein Aufschmelzen dieser Ablagerungen bzw. Eisklötze stattgefunden
hat – Festkörper durch das
Triebwerk bewegt werden. Dies kann wiederum Schäden an Triebwerksbauteilen,
insbesondere an Schaufeln im Bereich des Verdichters – hervorrufen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es wünschenswert,
dem Auftreten derartiger Eisablagerungen entgegenzuwirken. Wünschenswert
ist es allerdings auch, Systeme zu implementieren, die das Auftreten derartiger
Eisablagerungen erkennen bzw. anzeigen. Eine solche Information
kann dann – sofern
entsprechende Mittel zum Beseitigen von Eisanlagerungen existieren – zum Einleiten
eines entsprechenden Vorgangs verwendet werden. Derartige Informationen können beispielsweise
aber auch dazu verwendet werden, um die Notwendigkeit einer gegebenenfalls sogar
kurzfristigen Überprüfung auf
Schäden
anzuzeigen. Die vorgenannten Beispiele sollen allerdings nicht abschließend sein,
so dass auch andere Möglichkeiten
der Weiterverarbeitung derartiger Informationen existieren. Es kann
auch vorgesehen sein, dass lediglich über eine Anzeigeeinrichtung
angezeigt wird, dass eine Vereisung existiert oder in welchem Maße eine
Vereisung existiert.
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Vor
diesem Hintergrund ist bereits – zumindest
der Anmelderin intern – bekannt
geworden, optisch, nämlich
mittels einer Kamera, zu beobachten, ob eine Vereisung der Gasturbine
bzw. im Triebwerk gegeben ist.
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Der
Einsatz derartiger Kameras ist allerdings unter aerodynamischen
Aspekten häufig
stark nachteilig.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Möglichkeit
zur Detektion von Vereisung an bzw. in Gasturbinen, insbesondere
in oder an Flugtriebwerken, zu schaffen, die die aerodynamischen
Verhältnisse
in vermindertem Maße
beeinträchtigt.
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Erfindungsgemäß wird eine
Detektionseinrichtung zum Detektieren von Eisablagerungen an Gasturbinenteilen
gemäß Anspruch
1 oder gemäß Anspruch
2 vorgeschlagen. Eine erfindungsgemäße Gasturbine ist Gegenstand
des Anspruchs 8. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand
des Anspruchs 10. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird also
insbesondere eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von Eisablagerungen
an Gasturbinenbauteilen vorgeschlagen. Solche Gasturbinenbauteile
können
beispielsweise Bauteile von Flugtriebwerken sein, wie zum Beispiel
Fanschaufeln oder Verdichterschaufeln oder eintrittsseitige, insbesondere
im Bereich eines Fans gelegene bzw. den Fan oder Verdichter umgebende Gehäuseabschnitte,
und zwar insbesondere die radial innen gelegene Bereiche solcher
Gehäuseabschnitte.
Die Detektionseinrichtung weist eine Folie auf, sowie eine Leiterbahn-Anordnung
für die
Bildung wenigstens eines Sensors, d. h. insbesondere Vereisungssensors,
für die
Erfassung von Eis an den Gasturbinenbauteil. Der Sensor, im Folgenden
als Vereisungssensor bezeichnet, ist als kapazitiver Sensor ausgebildet.
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Die
angesprochene Folie ist insbesondere eine flexible Folie. Durch
eine derartige flexible Folie bzw. eine derartige Folie wird eine
flexible bzw. einfache Anpassung der Einheit aus der Folie mit der
Leiterbahn-Anordnung bzw. mit Abschnitten der Leiterbahn-Anordnung
bzw. mit den Sensoren bzw. mit den Sensorabschnitten an eine Bauteilgeometrie
ermöglicht.
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So
ist es beispielsweise möglich,
eine gute Anpassung an gekrümmte
Bauteile oder verdrehte bzw. verdrillte Bauteile zu erreichen. Insbesondere für Schaufeln,
wie Fanschaufeln eines Flugtriebwerks oder Verdichterschaufeln eines
Flugtriebwerks, kann auf einfache Weise eine gute Anpassung an deren
Kontur erreicht werden, so dass insbesondere auch eine geringe, oder
gar vernachlässigbare,
Beeinträchtigung
der aerodynamischen Verhältnisse
erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ferner
insbesondere eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von Eisablagerungen
an Gasturbinenbauteilen vorgeschlagen, wobei die Detektionseinrichtung
einen mit einem Abschnitt oder zumindest einem Abschnitt einer Leiterbahn-Anordnung
versehenen Bereich ausbildet, der für die Anpassung an die Oberflächenkontur des
Bauteils flexibel ausgebildet ist. Wie angesprochen kann dieser
Abschnitt insbesondere eine Folie aufweisen bzw. von einer solchen
gebildet sein.
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Auch
in Bezug auf diese Gestaltung gilt, dass die Gasturbinenbauteile
insbesondere Bauteile von Flugtriebwerken sein können, und zwar insbesondere
Bauteile der genannten Art.
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Der
flexible Bereich wird insbesondere von einer mit einer Leiterbahn-Anordnung
oder einem Abschnitt einer Leiterbahn-Anordnung versehenen Folie
gebildet.
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Die
Folie kann in den vorgenannten Gestaltungen insbesondere eine Kunststofffolie
sein. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Folie eine Kunststofffolie
ist, wobei auf diese Kunststofffolie eine Metallfolie aufgebracht
ist und wobei diese Metallfolie zur Ausbildung der Leiterbahn-Anordnung durch Ätzen bearbeitet
ist. Dieses Bearbeiten durch Ätzen
ist dabei insbesondere so erfolgt, dass die entsprechende Leiterbahn-Anordnung
auf der Folie verbleibt und daran angrenzende Bereiche durch Ätzen entfernt
sind.
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Die
angesprochene Metallfolie kann insbesondere eine aufgedampfte Metallfolie
sein. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Metallfolie eine
Kupferfolie. Die Kunststofffolie weist in vorteilhafter Ausgestaltung
Polyethylen-Naphtalat auf, oder ist aus Polyethylen-Naphtalat.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Dicke der Folie mit den Leiterbahnen,
also insbesondere die Einheit aus der Folie mit darauf angeordneten
Leiterbahnen bzw. die Dicke der Einheit aus der Kunststofffolie
mit der Metallfolie kleiner als 0,5 mm. In besonders bevorzugter
Ausgestaltung ist diese Dicke kleiner als 0,4 mm, bevorzugt kleiner
als 0,3 mm, bevorzugt kleiner als 0,2 mm, besonders bevorzugt kleiner
als 0,15 mm. In einer besonders zu bevorzugenden Ausgestaltung ist
die Dicke der Folie bzw. Kunststofffolie geringer als die Dicke
der Leiterbahnen bzw. der Metallfolie bzw. Metallschicht. Es kann
beispielsweise vorgesehen sein, dass die Dicke der Kunststofffolie
größer als
das doppelte der Dicke der Leiterbahnen bzw. der Metallfolie bzw.
der Metallschicht ist. In einer besonders zu bevorzugenden Ausgestaltung
ist die Dicke der Kunststofffolie 75 μm und die Dicke der Kupferschicht bzw.
der Leiterbahnen bzw. der Kupferfolie 35 μm, so dass die Gesamtdicke der
Einheit aus der Folie, insbesondere Kunststofffolie, mit den Leiterbahnen
im Wesentlichen 110 μm
ist.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass jede von zwei einander zugeordneten
Leiterbahnen jeweils eine Elektrode des kapazitiven Sensors ausbildet.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass zwischen diesen beiden Elektroden
ein Zwischenraum gegeben ist, wobei unterschiedliche Kapazitäten gegeben
sind, wenn dieser Zwischenraum eisfrei ist oder mit Eis versehen
ist, so dass in Abhängigkeit
der ermittelten Kapazität
oder in Abhängigkeit
einer ermittelten, von dieser Kapazität abhängigen Kenngröße davon
darauf geschlossen werden kann, ob Eis gegeben ist oder Eis nicht
gegeben ist. In besonders zu bevorzugender Ausgestaltung ist der
angesprochene Zwischenraum meanderförmig und/oder wellenförmig gestaltet.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Zwischenraum nach Art einer
abgerundeten Meanderform ausgestaltet ist.
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In
besonders zu bevorzugender Ausgestaltung verläuft der Zwischenraum meanderförmig oder wellenförmig und
weist dabei entlang seines Verlaufes eine im Wesentlichen konstante
Breite quer zur Verlaufsrichtung auf.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass
der kapazitive Sensor zwei Elektroden aufweist bzw. zwei Leiterbahnen,
von denen jede eine Elektrode bildet, sowie eine weitere Leiterbahn,
die eine Erdungsbahn zur Abschirmung der beiden genannten Leiterbahnen
ausbildet. Dies kann insbesondere so sein, dass ein sensitiver Bereich
des kapazitiven Sensors gegeben ist, in dem der Zwischenraum der
beiden einander zugeordneten Leiterbahnen bzw. Elektroden meanderförmig oder
wellenförmig
verläuft
und dass ein sich hier anschließender
Bereich gegeben ist, in dem zwischen den beiden Leiterbahnen bzw.
Elektroden eine weitere Leiterbahn zur Abschirmung der beiden einander zugeordneten
Leiterbahnen bzw. Elektroden verläuft.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist das Bauteil bzw. Gasturbinenbauteil,
für das
die Detektionseinrichtung vorgesehen ist, eine Schaufel, insbesondere Verdichterschaufel
oder Fanschaufel.
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Erfindungsgemäß wird ferner
eine Gasturbine gemäß Anspruch
8 vorgeschlagen. Die Gasturbine ist beispielsweise als Flugtriebwerk
gestaltet. Die Gasturbine weist eine Vielzahl von Gasturbinenbauteilen
auf, wobei zum Detektieren von Eisablagerungen an zumindest einem
ersten dieser Gasturbinenbauteile eine erfindungsgemäße Detektionseinrichtung
vorgesehen ist. Das erste Gasturbinenbauteil kann dabei beispielsweise
eine Schaufel, insbesondere Verdichterschaufel oder Fanschaufel,
sein, oder ein Gehäuseabschnitt,
insbesondere – z.
B. radial innen gelegener – Gehäuseabschnitt,
der einen Fan umgibt (Fan-Gehäuseabschnitt).
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Folie
mit den Leiterbahnen auf das erste Gasturbinenbauteil aufgeklebt
ist.
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In
vorteilhafter Weiterbildung ist ein Kapazitätsmessschaltkreis und/oder
eine Auswerteeinheit vorgesehen, mittels welcher ermittelt werden
kann, ob zwischen den einander zugeordneten Leitern bzw. Elektroden
Eisablagerungen gegeben sind oder nicht. Diese Detektion ist insbesondere
so, dass anhand der Kapazitätsänderung,
die durch Eisablagerungen bewirkt wird, mittels der Auswerteeinheit
bzw. des Schaltkreises ermittelt wird, ob bzw. dass dort Eis gegeben
ist oder nicht. Dies kann gemäß einer
Ausgestaltung qualitativ erfolgen; gemäß einer alternativen Gestaltung
kann dies quantitativ erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein Verfahren zur Detektion von Eisablagerungen an Gasturbinenbauteilen
mittels eines kapazitiven Sensors vorgeschlagen. Die Gasturbinenbauteile,
bezüglich
welcher dabei detektiert wird, ob dort Eisablagerungen gegeben sind,
können
insbesondere eine Schaufel, wie Fanschaufel oder Schaufel einer – insbesondere vorderen – Verdichterstufe
sein, oder ein Gasturbinengehäuseabschnitt,
und zwar insbesondere ein im Bereich eines Fans gelegener Gasturbinengehäuseabschnitt,
wie z. B. radial innerer Gehäuseabschnitt.
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Die
Gasturbinenbauteile sind dabei insbesondere Triebwerksbauteile.
Die Gasturbine ist dabei insbesondere ein Triebwerk.
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Gemäß dem Verfahren
wird zunächst
zumindest ein Kennwert gemessen, dessen Größe von der Kapazität im Zwischenraum
zwischen den einander zugeordneten Leitern bzw. Elektroden des kapazitiven
Sensors abhängt.
Anschließend
wird dann eine Auswertung durchgeführt, wobei im Rahmen dieser Auswertung
in Abhängigkeit
der Größe des wenigstens
einen gemessenen Kennwerts ermittelt, ob im Zwischenraum zwischen
den einander zugeordneten Leitern bzw. Elektroden des kapazitiven
Sensor Eisablagerungen gegeben sind.
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Im
Folgenden sollen nun beispielhafte Ausführungsformen bzw. Anwendungen
der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, ohne dass die
Erfindung dadurch beschränkt
werden soll. Dabei zeigt:
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1 eine
erste beispielhafte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Gasturbine,
die als Flugtriebwerk gestaltet ist und mit einer beispielhaften
erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung
versehen ist, in teilweiser schematischer Ansicht, bzw. eine Schaufel
eines Flugtriebwerkes mit einer derartigen Detektionseinrichtung;
und
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2 eine
beispielhafte erfindungsgemäße Detektionseinrichtung
bzw. einen beispielhaften erfindungsgemäßen Sensor in teilweiser schematischer
Ansicht.
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1 zeigt
eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform
einer hier als Flugtriebwerk gestalteten Gasturbine 1 mit
einer beispielhaften erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung 2 in
teilweiser Ansicht.
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Das
beispielhafte erfindungsgemäße Flugtriebwerk 1 kann
beispielsweise in Strömungsrichtung
der Luft gesehen in Reihe geschaltet einen Fan, einen Verdichter
mit gegebenenfalls mehreren Verdichterstufen, eine Brennkammer,
sowie eine Gasturbine mit gegebenenfalls mehreren Turbinenstufen aufweisen,
wobei diese Einheit von einem Gasturbinengehäuse bzw. Gehäuse umgeben
ist, von dem der Abschnitt auf Höhe
des Fans auch als Fangehäuse
bezeichnet wird.
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In 1 sind
beispielhaft zwei Schaufeln 12, die – wie hier beispielhaft – Bestandteil
eines Verdichterleitgitters 10 eines Flugtriebwerks sein
können, wobei
das Verdichterleitgitter 10 bzw. dessen Schaufeln 12 von
einem Gehäuse 14 umgeben
ist.
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Ferner
ist in 1 beispielhaft für eine der Schaufeln 12 gezeigt,
dass an dieser ein kapazitiver Sensor 16, der hier als
Vereisungssensor 16 bezeichnet wird und zum Erfassen von
Vereisung dient, aufgebracht ist.
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Der
kapazitive Vereisungssensor 12 weist eine erste Leiterbahn
bzw. eine erste Elektrode 18 sowie eine zweite Leiterbahn
bzw. zweite Elektrode 20 auf.
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Der
kapazitive Vereisungssensor 16 ist ferner so gestaltet,
dass er einen sensitiven Bereich 22 sowie einen nicht-sensitiven
Bereich 24 aufweist.
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Im
nicht-sensitiven Bereich 24 sind die erste Leiterbahn bzw.
die erste Elektrode 18 und die zweite Leiterbahn bzw. die
zweite Elektrode 20 quer zu ihrer Erstreckungsrichtung
voneinander beabstandet, wobei zwischen diesen Leiterbahnen bzw.
Elektroden 18, 20 eine dritte Leiterbahn 26 zur
Abschirmung der Leiterbahnen bzw. Elektroden 18, 20 voneinander vorgesehen
ist, und zwar insbesondere um eine ungewünschte Beeinträchtigung
des Messer gebnisses zu vermeiden bzw. um die Gefahr derartiger ungewünschter
Beeinträchtigungen
des Messergebnisses zu reduzieren.
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Im
sensitiven Bereich 22 des kapazitiven Vereisungssensors 16 wird
zwischen der ersten Leiterbahn bzw. der ersten Elektrode 18 und
der zweiten Leiterbahn bzw. der zweiten Elektrode 20 ein
Zwischenraum 28 ausgebildet. Dieser Zwischenraum 28 ist
meanderförmig,
und zwar in Form einer abgerundeten Meanderform, bei der die üblicherweise
bei einer Meanderform vorgesehenen Ecken durch Rundungen ersetzt
sind, ausgebildet, wie gut 1 und 2 entnommen
werden kann.
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Wie
gut in 1 zu erkennen ist, sind die erste Leiterbahn bzw.
die erste Elektrode 18 sowie die zweite Leiterbahn bzw.
zweite Elektrode 20 und hier – wo eine dritte Leiterbahn 26 zur
Abschirmung gegeben ist – die
dritte Leiterbahn 26 mit einem Kapazitätsmessschaltkreis 28 verbunden. Über den
Kapazitätsmessschalkreis
kann die Kapazität
ermittelt werden, die im angesprochenen Zwischenraum 28 gegeben
ist. Die Kapazität
im Zwischenraum 28 hängt
davon ab, ob dort Eis gegeben ist, oder nicht. Dementsprechend kann
anhand der ermittelten Kapazität
bzw. einer von der Kapazität
abhängigen,
ermittelten Kenngröße darauf
geschlossen werden, ob eine Vereisung im angesprochenen Zwischenraum 28 gegeben
ist, oder nicht. Es kann vorgesehen sein, dass mittels des Vereisungssensors 16 lediglich
digital unterschieden wird, ob eine Vereisung gegeben bzw. nicht
gegeben ist oder digital unterschieden wird, ob eine Vereisung gegeben
ist, die eine vorbestimmte Menge überschreitet, bzw. die entsprechende
Kapazität
jenseits einer vorbestimmten Größe gelegen
ist, oder nicht. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Vereisungssensor
mit Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass quantitativ nach
dem Grad der Vereisung unterschieden werden kann.
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Die
angesprochenen Leiterbahnen bzw. Elektroden 18, 20 sowie
die angesprochene Leiterbahn 26 sind auf eine Kunststofffolie 32 aufgebracht. Die
Leiterbahnen bzw. Elektroden 18, 20 sowie die Leiterbahn 26 können beispielsweise
aus Kupfer sein. Die Folie 32 ist beispielsweise eine Kunststofffolie,
wie beispielsweise Polyethylen-Naphthalat-Folie. Die Folie 32 ist
derart ausgebildet, dass sie als Klebefolie gestaltet ist, so dass
sie auf das Gasturbinenbauteil, also beispielsweise hier die Turbinenschaufel 12,
aufgeklebt ist bzw. aufgeklebt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Detektionseinrichtung 2 ist
also in vorteilhafter Ausgestaltung derart ausgebildet, dass sich
mit ihr Eisanlagerungen bzw. Eisablagerungen im Inneren eines Triebwerks
mit einem einfachen Sensor ohne Eingriff in die Funktionalität des Triebwerks
(z. B. keine Anbauten, Fenster, etc.) erfassen lassen. Die Sensoren
bzw. die Folien sind dabei insbesondere flexibel ausgebildet und können sich
somit flexibel an eine Vielzahl, vor zugsweise beliebiger gekrümmter Oberflächen anbringen lassen,
ist. Ferner zeigt das Ausführungsbeispiel, dass
im Gegensatz zu Kameras oder dergleichen beim Ausführungsbeispiel
keine Modifikationen am Versuchsobjekt bzw. dem Triebwerksbauteil
notwendig sind bzw. die erfindungsgemäßen Sensoren gut integrierbar
sind bzw. aerodynamische Störungen vermieden
bzw. geringer ausfallen lassen als es bei Lösungen aus dem Stand der Technik
der Fall ist.
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Es
wird also insbesondere ein kapazitiver Sensor auf einer flexiblen
Folie verwendet. Der Sensor kann – wie gezeigt, eine meanderförmige sensitive
Fläche
mit reduzierten Inhomogenitäten
aufweisen. Das Sensordesign kann durch Zuschnitt individuell an
den Messort angepasst werden.
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Wie
das Ausführungsbeispiel
zeigt, wird somit eine Messung im Triebwerk möglich bei der der Sensor ohne
Modifikation der Bauteile appliziert werden kann. Es ermöglicht ein
zuverlässiges
Detektieren von Eisansammlungen auf kleinen, stark gekrümmten aerodynamisch
wirkenden Flächen.
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- 1
- Turbine,
hier Flugtriebwerk
- 2
- Detektionseinrichtung
- 10
- Verdichterleitgitter
- 12
- Schaufel
- 14
- Gehäuse
- 16
- kapazitiver
(Vereisungs-)Sensor
- 18
- erste
Leiterbahn bzw. Elektrode von 16
- 20
- zweite
Leiterbahn bzw. Elektrode von 16
- 22
- sensitiver
Bereich von 16
- 24
- nicht-sensitiver
Bereich von 16
- 26
- dritte
Leiterbahn von 16
- 28
- Zwischenraum
- 30
- Kapazitäts-Mess-Schaltkreis
- 32
- Folie