DE102009039224B4

DE102009039224B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil

Info

Publication number: DE102009039224B4
Application number: DE102009039224.6A
Authority: DE
Inventors: Günter Zenzinger; Dr. Bamberg Joachim; Volker Carl
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2029-08-29
Also published as: DE102009039224A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil (12), insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, mit folgenden Schritten:- Durchströmen der Bohrungen des Bauteils (12) mit nicht-erwärmter oder temperierter Pressluft;- Erfassen der Wärmeentwicklung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen während oder nach dem Durchströmen; und- Erkennen der durchgängigen Bohrungen anhand einer Temperaturänderung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen, wobei durchgängige Bohrungen anhand einer Abkühlung der Bohrungen und/oder Bohrumgebungen aufgrund einer Expansionskälte der Pressluft erkannt werden; und wobei verstopfte Bohrungen anhand einer nicht sichtbaren Abkühlung der Bohrungen und/oder Bohrumgebungen aufgrund einer Expansionskälte der Pressluft identifiziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil, insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Für einen sicheren Betrieb einer Turbomaschine ist eine ausreichende und zuverlässige Kühlung der Turbinenschaufeln, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind, von wesentlicher Bedeutung. Die Turbinenschaufeln weisen deshalb eine Vielzahl an Kühlkanälen oder Kühlkanäle bildende Hohlräume auf, die im Folgenden der Einfachheit halber allgemein als Bohrungen bezeichnet werden. Während des Betriebs der Turbomaschine werden die Bohrungen von Kühlluft durchströmt, wobei sicherzustellen ist, dass die Kühlluft ungehindert durch die Bohrungen strömen kann.
Aus der DE 102 48 410 A1 ist eine Vorrichtung zur Ausfilterung von Partikeln aus einer Strömung bekannt, mit der bei Einsatz in einem Kühlsystem einer Strömungsmaschine der Eintrag von Staub- und Schmutzpartikeln in die Kühlkanäle für die Hochdruckturbinenschaufeln reduziert werden soll. Die Eintrittsöffnungen der Kühlkanäle sind so modifiziert, dass ein erster Kanal für den Einlass mit zweiten Kanälen kleineren Querschnitts für den Auslass der Strömung verbunden ist. Die zweiten Kanäle weisen am Übergang vom ersten Kanal ein kanalförmiges Verlängerungselement auf, das sich in den ersten Kanal erstreckt. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass nur noch mit dem Kühlmedium mitgeführte Schmutz- und Staubpartikel in die Kühlkanäle eintreten, die sich direkt geradlinig auf die Öffnung des Verlängerungselementes zu bewegen.
Die DE 102 52 189 AI zeigt einen Staubabscheider für eine Gasturbinenanlage, der auf dem Leitschaufelträger angeordnet ist. Der Staubabscheider weist einen Führungskanal auf, der zwischen einer Einlass- und einer Auslassöffnung eine Krümmung aufweist, wobei in einer äußeren Wandung der Krümmung eine Staubaustrittsöffnung ausgebildet ist.
Doch auch bei Einsatz solcher präventiven Maßnahmen können Verstopfungen nicht ausgeschlossen werden. Deshalb ist es wichtig, vor der Inbetriebnahme und bei der Wartung einer Turbomaschine Verstopfungen in den Bohrungen der Turbinenschaufeln zu erkennen und möglicherweise zu lokalisieren, um diese - soweit möglich - zu beseitigen.
Aus der DE 100 64 269 A1 ist es bekannt, eine Inspektion des Inneren einer Strömungsmaschinenkomponente mit Kühlkanälen dadurch zu ermöglichen, dass die Komponente mit Inspektionsöffnungen versehen wird. Die Inspektionsöffnungen sind derart an der Komponente angeordnet und dimensioniert, dass sie gleichzeitig eine Staubaustragsöffnung für im Kühlmedium enthaltene Staub- oder Schmutzpartikel bildet.
In dem Vortrag „Automatisiertes System zur thermographischen Prüfung von Gasturbinenschaufeln” von J. Zettner et al. anlässlich der DGZfP-Jahrestagung 2003 ist ein Verfahren zur Prüfung von Schaufeln einer Gasturbine auf verstopfte Kühlkanäle mittels Heißlufttransmission beschrieben. Es wird heiße Luft durch die Schaufel geblasen, die das Metall rund um die Austrittsöffnung erwärmt. Die Erwärmung der Bohrungsumgebung wird mit einer Thermographiekamera detektiert, sodass eine optische Kontrolle der Bohrungen ermöglicht wird.
Ein ähnliches Verfahren wurde bereits in der US 4 644 162 A vorgeschlagen. Bei dieser Art von Inspektionsverfahren kann aber nicht ausgeschlossen werden, dass die Bohrungsposition und die Schaufelgeometrie zu Falschanzeigen führen. Außerdem muss ein geeignetes Aggregat zur Lufterwärmung bereitgestellt werden.
Die DE 35 33 186 A1 betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Kühlkanälen in einer Schaufel eines Gasturbinentriebwerks mit folgenden Schritten: (a) Ändern der Temperatur der Kanäle, indem ein Gas durch die Kanäle hindurchgedrückt wird, (b) Betrachten der Kanäle mit einem abtastenden Infrarot-Radiometer und Erzeugen eines Bildes, das die relativen Intensitäten der von den Kanälen emittierten Strahlung eines schwarzen Körpers angibt, und (c) Vergleichen der Intensitäten des Schrittes (b) miteinander während des anfänglichen Temperaturübergangs der Kanäle.
Die DE 197 20 461 A1 betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine, bei dem ein Ausgangs-Thermographiebild von der Turbinenschaufel erstellt und die Turbinenschaufel mittels Einblasen von Heißluft in die Kühlstruktur kurzzeitig aufgeheizt wird, wobei während des Aufheizens Thermographiebilder von der Turbinenschaufel erstellt und von diesen jeweils das Ausgangs-Thermographiebild subtrahiert wird.
Die US 2007/0290134 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Charakterisieren von Gasströmen durch Merkmale, die in einem hohlen Teil hergestellt sind, wobei ein druckbeaufschlagtes Gas auf ein Inneres des Teils aufgebracht wird, und dieser Gasdruck durch Merkmale, die in dem Teil hergestellt sind, nach außen strömt, wobei gleichzeitig ein stabilisierendes druckbeaufschlagtes Gas auf eine äußere Teilhaut aufgebracht wird und das stabilisierende Gas eine kontrollierte Temperaturdifferenz zu dem Gas hat, das auf das Innere des Teils aufgebracht wird, wobei eine Infrarot-Signatur von austretendem Gas und der umgebenden Teilhaut durch ein Klassifizierungsverfahren analysiert wird, wobei die Analyse dieser Infrarotsignatur die relative Durchflussrate, Größe und Position des in dem Teil hergestellten Merkmals klassifiziert.
Die US 5 111 046 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen eines Kanals durch ein Werkstück oder von Kühllöchern durch die Oberfläche eines Gasturbinentriebwerks, wobei die Schaufel des Gasturbinentriebwerks in einer Halterung montiert ist, so dass ein erhitztes Gas während eines Aufheizzyklus in das hohle Innere der Schaufel gedrückt werden kann, und nach einer vorbestimmten Zeitspanne ein Magnetventil umschaltet, um das erhitzte Gas abzuschalten und um zu ermöglichen, dass ein gekühltes Gas für einen Abkühlzyklus in das hohle Innere der Schaufel gedrückt wird, wobei ein bildgebendes Infrarotradiometer sowohl während des Aufheiz- als auch des Abkühlzyklus eine Reihe von Bildern der Schaufel erzeugt, wobei aus der vom IR-Radiometer erzeugten Bildserie eine ausgewählte Gruppe von Parametern bestimmt wird, und Defekte in den Kühllöchern dann durch Analysieren der Parameter erkannt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem bzw. mit der verstopfte Bohrungen in einem Bauteil, insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, zuverlässig erkannt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil, insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, umfasst folgende Schritte:

- Durchströmen der Bohrungen des Bauteils mit nicht-erwärmter oder temperierter Pressluft;
- Erfassen der Wärmeentwicklung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen während oder nach dem Durchströmen; und
- Erkennen der durchgängigen Bohrungen anhand einer Temperaturänderung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen,

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Beobachtung besonderer physikalischer, genauer gesagt thermodynamischer Effekte für die Kontrolle der Durchgängigkeit von Bohrungen genutzt werden kann. Unmittelbar nach Beginn des Durchströmens erwärmt sich nämlich eine Bohrungsumgebung durch die Kompression der Luft und kühlt danach aufgrund der Expansionskälte der Pressluft wieder ab. Diese charakteristischen Wärmeentwicklungen deuten auf eine durchgängige Bohrung hin; bei einer verstopften Bohrung sind die Erwärmungs- und Abkühlungseffekte nicht zu beobachten, oder sie sind zumindest weniger stark ausgeprägt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass Wanddicken und Bohrungspositionen kaum noch eine Rolle spielen, da direkte physikalische Effekte gemessen werden, die an der Bohrung stattfinden. Bei Einsatz geeigneter Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine schnelle, vollautomatische und auch kostengünstige Prüfung von Kühlluftbohrungen, insbesondere im Vergleich zu einer derzeit praktizierten manuellen Wasserdurchflussprüfung. Ein weiterer Vorteil gegenüber der zuvor erwähnten Heißluftprüfung besteht darin, dass kein Aggregat zur Lufterwärmung notwendig ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Pressluftzufuhr zur Bereitstellung von nichterwähnter oder temperierter Pressluft. Mit einer auf das Bauteil gerichteten Wärmebildkamera können die zuvor beschriebenen Effekte beobachtet und anschließend einer Auswertung zugeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung umfasst einen Prüfstand 10, auf dem das zu untersuchende metallische Bauteil 12, beispielsweise eine Schaufel einer Turbomaschine, vollautomatisch platziert werden kann.
Der Prüfstand 10 verfügt über eine Pressluftzufuhr 14, mit der nicht-erwärmte oder temperierte Luft unter hohem Druck in die Bohrungen des Bauteils 12 eingeleitet werden kann. Die Pressluftzufuhr 14 ist mittels eines elektronisch gesteuerten Pressluftventils 16 einstellbar,

- insbesondere kann zu einem definierten Zeitpunkt die Zufuhr gestartet werden. Die elektronische Steuerung des Pressluftventils 16 erfolgt über eine Steuereinheit, insbesondere in Form einer Steuerkarte in einem Rechner 18.

An den Rechner 18 ist außerdem eine Wärmebildkamera 20, angeschlossen, die auf das Bauteil 12 gerichtet ist. Der Rechner 18 verfügt über eine Bildverarbeitungsfunktionalität, sodass die von der Wärmebildkamera 20 aufgenommenen Bilder am Rechner 18 angezeigt und ausgewertet werden können.
Die Steuereinheit für das Pressluftventil 16 und die Bildverarbeitung müssen nicht zwangsläufig im selben Rechner 18 vorgesehen sein; für eine Automatisierung des Verfahrens ist dies aber von Vorteil.
Im Folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Das Bauteil 12, genauer gesagt dessen Bohrungen werden mit nicht-erwärmter oder temperierter Pressluft durchströmt, indem das Pressluftventil 16 geöffnet wird. Die Kompression der Luft unmittelbar nach dem Öffnen des Pressluftventils 16 führt in der Regel zu einer kurzfristigen leichten Erwärmung der Bohrungsumgebungen. Danach kühlen die durchgängigen Bohrungen aufgrund der Expansionskälte der Pressluft merklich ab, typischerweise in der Größenordnung von 100 Millisekunden nach Beginn der Pressluftzufuhr. Obwohl die anfängliche Erwärmung nicht bei allen Bohrungen messbar ist, tritt die Abkühlung bei allen durchgängigen Bohrungen auf.
Der gesamte Vorgang wird mittels der Wärmebildkamera 20 thermographisch überwacht. Der Ausgangszustand (Temperaturverteilung des Bauteils 12 vor dem Durchströmen), ggf. die Erwärmung und die anschließende Abkühlung der freien Bohrungen und der Bohrungsumgebungen sind auf den Bildern, die die Wärmebildkamera 20 während des Durchströmens liefert, deutlich erkennbar. Dagegen sind diese Effekte bei einer nicht durchgängigen (verstopften) Bohrung nicht oder kaum sichtbar, sodass eine verstopfte Bohrung leicht identifizierbar ist.
Das Bauteil 12 kann vor und/oder während der Prüfung temperiert werden.
Die oben beschriebenen Verfahrensschritte zur Erkennung von verstopften Bohrungen und die anschließende Auswertung werden vollautomatisch durchgeführt.
Bezugszeichenliste

10: Prüfstand
12: Bauteil
14: Pressluftzufuhr
16: Pressluftventil
18: Rechner
20: Wärmebildkamera

Claims

Verfahren zur Erkennung von verstopften Bohrungen in einem Bauteil (12), insbesondere in einer Schaufel einer Turbomaschine, mit folgenden Schritten: - Durchströmen der Bohrungen des Bauteils (12) mit nicht-erwärmter oder temperierter Pressluft; - Erfassen der Wärmeentwicklung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen während oder nach dem Durchströmen; und - Erkennen der durchgängigen Bohrungen anhand einer Temperaturänderung in den Bohrungen und/oder Bohrumgebungen, wobei durchgängige Bohrungen anhand einer Abkühlung der Bohrungen und/oder Bohrumgebungen aufgrund einer Expansionskälte der Pressluft erkannt werden; und wobei verstopfte Bohrungen anhand einer nicht sichtbaren Abkühlung der Bohrungen und/oder Bohrumgebungen aufgrund einer Expansionskälte der Pressluft identifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeentwicklung jeweils thermographisch überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Temperaturverteilung des Bauteils (12) vor dem Durchströmen erfasst und bei der Erkennung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (12) vor und/oder während dem Durchströmen und dem Erfassen temperiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestückung einer Vorrichtung mit dem Bauteil (12) und/oder die einzelnen Verfahrensschritte und/oder eine anschließende Auswertung vollautomatisch durchgeführt werden.
Vorrichtung, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pressluftzufuhr (14) zur Bereitstellung der nicht-erwärmten oder temperierten Pressluft.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressluftzufuhr (14) ein Pressluftventil (16) aufweist, mit dem die Pressluft zu einem definierten Zeitpunkt in die Bohrungen des Bauteils (12) eingeleitet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit, insbesondere eine Steuerkarte in einem Rechner (18), zur elektronischen Steuerung des Pressluftventils (16).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine auf das Bauteil (12) gerichtete Wärmebildkamera (20).
Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit und die Wärmebildkamera (20) an denselben Rechner (18) angeschlossen sind.