-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Ein derartiges Verfahren ist aus der europäischen Patentanmeldung
EP 1 416 266 A1 bekannt. Bei dem vorbekannten Verfahren wird das Gasdurchflussverhalten eines Hohlkörpers gemessen, indem ein Gas in den Hohlkörper eingespeist wird. Das eingespeiste Gas tritt aus dem Hohlkörper durch zumindest ein Austrittsloch aus und wird mittels einer Kamera visuell erfasst. Das visuelle Erfassen des austretenden Gases wird durch eine Bestrahlungsquelle ermöglicht, deren Strahlung durch das austretende Gas absorbiert wird. Je mehr Gas aus dem Hohlkörper austritt, je größer wird die Absorption der Strahlung sein und je geringer fällt die mittels der Kamera zu detektierende Strahlung aus. Das Erfassen des aus dem Hohlkörper austretenden Gases erfolgt also indirekt durch die Absorption von Strahlung durch das Gas.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen des Gasdurchflussverhaltens eines Hohlkörpers anzugeben, das sich besonders einfach und zuverlässig durchführen lässt. Unter anderem soll es das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise in einfacher Weise ermöglichen, Hohlkörper dahingehend zu untersuchen, ob sie vorgegebene Gasdurchflussspezifikationen erreichen bzw. einhalten oder nicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Gas, dessen Gastemperatur von der Temperatur des Hohlkörpers abweicht, in den Hohlkörper eingespeist wird, die aufgrund des Austritts des Gases lokale Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche, vorzugsweise im Bereich des Austrittsloches, gemessen wird und auf das Einhalten einer für das Austrittsloch vorgegebenen Gasdurchflusseigenschaft geschlossen wird, wenn die gemessene Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche, vorzugsweise im Bereich des Austrittsloches, zumindest einem vorgegebenen Kriterium genügt.
-
Die Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und ausgewertet werden.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zeitliche und/oder räumliche Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche im Bereich des Austrittsloches – nach dem Beginn des Einspeisens des Gases oder nach einem Ändern des eingespeisten Gasflusses in den Hohlkörper – mit einer bei gleicher Gasbeaufschlagung gemessenen zeitlichen und/oder räumlichen Temperaturänderung einer Referenzhohlkörperoberfläche eines Referenzhohlkörpers im Bereich eines Referenzaustrittsloches verglichen wird, wobei die Position des Referenzaustrittsloches auf der Referenzhohlkörperoberfläche des Referenzhohlkörpers mit der Position des Austrittslochs auf der Hohlkörperoberfläche des Hohlkörpers korrespondiert, und auf das Einhalten der für das Austrittsloch vorgegebenen Gasdurchflusseigenschaft geschlossen wird, wenn die gemessene zeitliche und/oder räumliche Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche im Bereich des Austrittsloches mit der gemessenen zeitlichen und/oder räumlichen Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche im Bereich des korrespondierenden Referenzaustrittsloches übereinstimmt oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen Abweichungstoleranzbandes liegt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass aufgrund des Vergleichs mit temperaturbezogenen Referenzdaten eines Referenzhohlkörpers besonders einfach und schnell zuverlässige Messergebnisse bezüglich des Einhaltens vorgegebener Gasdurchflussspezifikationen erzielt werden können.
-
Vorzugsweise wird auf das Einhalten einer für das Austrittsloch vorgegebenen Lochgröße geschlossen, wenn die räumliche Verteilung der Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche im Bereich des Austrittslochs der räumlichen Verteilung der Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche im Bereich des korrespondierenden Referenzaustrittsloches entspricht oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen Abweichungstoleranzbandes liegt.
-
Auch kann beispielsweise geprüft werden, ob die Größe der durch das Gas erwärmten oder abgekühlten Hohlkörperoberfläche eine vorgegebene Mindestgröße über- oder unterschreitet. So kann zum Beispiel auf ein zu kleines Austrittsloch geschlossen werden, wenn die Größe der durch das Gas erwärmten oder abgekühlten Hohlkörperoberfläche eine vorgegebene Mindestgröße unterschreitet. Oder es kann auf ein zu großes Austrittsloch geschlossen werden, wenn die Größe der durch das Gas erwärmten oder abgekühlten Hohlkörperoberfläche eine vorgegebene Mindestgröße überschreitet.
-
Die lokale Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche im Bereich des Austrittsloches und/oder die lokale Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche im Bereich des Referenzaustrittsloches wird vorzugsweise zweidimensional gemessen.
-
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn auf das Einhalten einer für das Austrittsloch vorgegebenen Ausströmrichtwirkung als Gasdurchflusseigenschaft geschlossen wird, wenn die lokale Temperaturänderung um das Austrittsloch herum eine räumliche Asymmetrie aufweist, die mit der räumlichen Asymmetrie der lokalen Temperaturänderung um das korrespondierende Austrittsloch des Referenzhohlkörpers herum übereinstimmt oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen Asymmetrietoleranzbandes liegt.
-
Die lokale Temperaturerhöhung auf der Hohlkörperoberfläche im Bereich des Austrittsloches und/oder die lokale Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche im Bereich des Referenzaustrittsloches kann besonders einfach und damit vorteilhaft mit einer Thermografiekamera gemessen werden.
-
Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die lokale Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche und/oder die lokale Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche für vorgegebene Rasterpunkte gemessen wird und eine zweidimensionale Temperaturmessgrößenmatrix, beispielsweise eine Temperaturmesswertmatrix, gebildet wird, die sich auf einen vorgegebenen Oberflächenabschnitt in der Nähe des Austrittsloches bzw. des Referenzaustrittslochs bezieht. Mit einer zweidimensionalen Temperaturmessgrößenmatrix, insbesondere einer zweidimensionalen Temperaturmesswertmatrix, lässt sich die Auswertung der Messwerte besonders einfach durchführen.
-
Die zweidimensionale Temperaturmessgrößenmatrix wird vorzugsweise für mindestens zwei unterschiedliche Messzeitpunkte erstellt, und die zeitliche Änderung der zweidimensionalen Temperaturmessgrößenmatrix kann für das Bestimmen der Gasdurchflusseigenschaft ausgewertet werden.
-
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Erreichen oder Nichterreichen einer vorgegebenen Temperaturänderung und/oder das Erreichen oder Nichterreichen einer vorgegebenen Mindestfläche zwischen dem Temperaturgraphen im Temperatur-Zeit-Diagramm und der Zeitachse – nach Ablauf einer vorgegebenen Durchflusszeit nach dem Beginn des Einspeisens des Gases oder nach einem Ändern des eingespeisten Gasflusses in den Hohlkörper – als Maß für das Einhalten der für das Austrittsloch vorgegebenen Gasdurchflusseigenschaft herangezogen wird.
-
Auch kann das Erreichen oder Nichterreichen einer vorgegebenen Temperaturänderung und/oder das Erreichen oder Nichterreichen einer vorgegebenen Mindestfläche zwischen dem Temperaturgraphen im Temperatur-Weg-Diagramm und der Wegachse – nach Ablauf einer vorgegebenen Durchflusszeit nach dem Beginn des Einspeisens des Gases oder nach einem Ändern des eingespeisten Gasflusses in den Hohlkörper – als Maß für das Einhalten der für das Austrittsloch vorgegebenen Gasdurchflusseigenschaft herangezogen werden, wobei die Wegachse des Temperatur-Weg-Diagramms räumlich in der Ebene der Hohlkörperoberfläche liegt.
-
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anordnung zum Messen des Gasdurchflussverhaltens eines Hohlkörpers.
-
Erfindungsgemäß ist bezüglich einer solchen Anordnung vorgesehen, dass eine Messeinrichtung der Anordnung geeignet ist, die aufgrund des Austritts des Gases auftretende lokale Temperaturänderung auf der Hohlkörperoberfläche zu messen, und eine mit der Messeinrichtung in Verbindung stehende Auswerteinrichtung geeignet ist, auf das Einhalten einer für das Austrittsloch vorgegebenen Gasdurchflusseigenschaft zu schließen, wenn die gemessene Temperaturänderung zumindest einem vorgegebenen Kriterium genügt.
-
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sei auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
-
1 ein Ausführungsbeispiel für einen Hohlkörper, dessen Gasdurchflussverhalten gemessen werden soll,
-
2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung zum Messen des Gasdurchflussverhaltens des Hohlkörpers gemäß 1, wobei anhand der Anordnung gemäß 2 mehrere unterschiedliche Ausführungsvarianten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft erläutert werden,
-
3 beispielhaft eine zweidimensionale Temperaturänderungsverteilung auf der Hohlkörperoberfläche des Hohlkörpers gemäß 1 nach einem Einleiten eines Gases in den Hohlkörper,
-
4 beispielhaft den Temperaturverlauf auf der Hohlkörperoberfläche des Hohlkörpers gemäß 1 an einer vorgegebenen Stelle (x0, y0) nach dem Beginn des Einspeisens eines Gases in den Hohlkörper und
-
5 beispielhaft die Auswertung des Temperaturverlaufs mittels eines Integralverfahrens.
-
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
In der 1 ist ein Abschnitt eines nicht weiter dargestellten Hohlkörpers 10 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um eine Lauf- oder Leitschaufel einer Gasturbine handeln kann. Die Hohlkörperoberfläche 30 des Hohlkörpers 10 weist mehrere Austrittslöcher 20 auf, von denen der Übersicht halber in der 1 lediglich ein einziges dargestellt ist.
-
Das Austrittsloch 20 kann beispielsweise asymmetrisch ausgeformt sein, und zwar derart, dass ein an einer Einspeisestelle 40 des Hohlkörpers 10 eingespeister Gasstrom Gein mit einer asymmetrischen Verteilung aus dem Austrittsloch 20 austritt. So lässt sich in der 1 erkennen, dass der aus dem Austrittsloch 20 austretende Gasstrom Gaus in der 1 vorzugsweise nach links gerichtet ist und vergleichsweise wenig Gas in der 1 nach rechts austritt. Die entsprechende Gasleitrichtung des Austrittslochs 20 ist durch entsprechend unterschiedlich lange Pfeile symbolisiert.
-
Die 2 zeigt beispielhaft eine Anordnung zum Messen des Gasdurchflussverhaltens des Hohlkörpers 10 gemäß 1. Die Anordnung umfasst eine Einspeiseeinrichtung 100 zum Einspeisen eines Gasstromes Gein, dessen Gastemperatur von der Temperatur des Hohlkörpers 10 abweicht. Mit der Einspeiseeinrichtung 100 steht eine Auswerteeinrichtung 105 in Verbindung, die eine Datenverarbeitungseinrichtung 110 sowie eine Speichereinrichtung 120 umfasst.
-
In der Speichereinrichtung 120 ist unter anderem ein Referenzdatensatz 130 gespeichert, der sich auf das Gasdurchflussverhalten eines Referenzhohlkörpers bezieht. Der Referenzdatensatz 130 kann beispielsweise die zeitliche und/oder räumliche Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche des Referenzhohlkörpers beschreiben, die nach dem Beginn des Einspeisens eines dem Gasfluss Gein entsprechenden Gases in den Referenzhohlkörper auftreten würde.
-
Mit der Datenverarbeitungseinrichtung 110 steht darüber hinaus eine Messeinrichtung 140 in Form einer Thermografiekamera in Verbindung.
-
Die Anordnung gemäß 2 lässt sich beispielsweise wie folgt betreiben:
Zunächst steuert die Datenverarbeitungseinrichtung 110 mittels eines Steuersignals ST die Einspeiseeinrichtung 100 derart an, dass in den Hohlkörper 10 ein Gas eingespeist wird, dessen Gastemperatur von der Temperatur des Hohlkörpers 10 abweicht.
-
Der eingespeiste Gasstrom Gein wird durch den Hohlkörper 10 fließen und durch die Austrittslöcher des Hohlkörpers 10, also insbesondere durch das Austrittsloch 20 des Hohlkörpers 10, austreten. Aufgrund des Gasaustritts des Gases durch das Austrittsloch 20 wird sich die Hohlkörperoberfläche 30 im Bereich des Austrittsloches 20 erwärmen oder abkühlen, je nachdem ob die Gastemperatur des eingespeisten Gases größer oder kleiner als die Temperatur des Hohlkörpers 10 ist.
-
Um die zeitliche und/oder räumliche Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche 30 messtechnisch zu erfassen, wird der Oberflächenabschnitt in der Nähe des Austrittslochs 20 messtechnisch gemäß einem vorgegebenen zweidimensionalen Raster 150 erfasst, und es wird eine entsprechende Temperaturmesswertmatrix T(x, y) gebildet. Die Temperaturmesswertmatrix T(x, y) bezeichnet für verschiedene Punkte (x, y) des Rasters 150 den entsprechenden Temperaturmesswert, der mit der Messeinrichtung 140 erfasst und zu der Auswerteeinrichtung 105 übertragen wird.
-
Aufgrund der vorliegenden Temperaturmesswerte T(x, y), die von der Messeinrichtung 140 geliefert werden, ist die Datenverarbeitungseinrichtung 110 in der Lage, die Temperaturänderungsdaten zu ermitteln und diese mit den entsprechenden Temperaturänderungsdaten, die im Datensatz 130 für den Referenzhohlkörper abgespeichert sind, zu vergleichen.
-
Stimmt die zeitliche und/oder räumliche Temperaturänderung der Hohlkörperoberfläche 30 nach dem Beginn des Einspeisens des Gases in den Hohlkörper 10 mit der entsprechenden zeitlichen und/oder räumlichen Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche des Referenzhohlkörpers – bei gleicher Gaseinspeisung – überein, oder liegt eine etwaig auftretende Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Abweichungstoleranzbandes, so schließt die Auswerteeinrichtung 105 daraus, dass das Gasdurchflussverhalten des Austrittsloches 20 des Hohlkörpers 10 dem Gasdurchflussverhalten des Referenzhohlkörpers entspricht und somit norm- bzw. spezifikationsgerecht ist. Das entsprechende Ergebnis wird mittels eines Ausgangssignals AS ausgangsseitig angegeben.
-
Kommt die Auswerteeinrichtung 105 nach einem Vergleich der zeitlichen und/oder räumlichen Temperaturänderung im Bereich des Austrittslochs 20 des Hohlkörpers 10 zu dem Ergebnis, dass die gemessene Temperaturänderung der in dem Datensatz 130 abgespeicherten Temperaturänderung der Referenzhohlkörperoberfläche des Referenzhohlkörpers nicht entspricht, so erzeugt sie ausgangsseitig ein Ausgangssignal AS, das eine entsprechende Abweichung und/oder die fehlende Übereinstimmung mit dem Referenzhohlkörper anzeigt.
-
In der 3 ist beispielhaft die räumliche Temperaturänderung zu einem Zeitpunkt t nach dem Beginn des Einspeisens des Gasstromes Gein dargestellt. Die räumliche Verteilung der Temperaturänderung kann mit den entsprechenden Daten des Datensatzes 130 gemäß 2 verglichen werden, um das Gasdurchflussverhalten des Hohlkörpers 10 mit dem im Datensatz 130 gemäß 2 abgespeicherten Gasdurchflussverhalten des Referenzhohlkörpers zu vergleichen. Die durchgezogenen Linien Tmess(x, y1, t), Tmess(x, y2, t) und Tmess(x, y3, t) zeigen dabei den gemessenen Temperaturverlauf, der anhand des Hohlkörpers 10 mit Hilfe der Messeinrichtung 140 gemäß 2 aufgenommen worden ist. Die gestrichelte Linie Tref(x, y1, t) zeigt den entsprechenden Temperaturverlauf an der Stelle y1, der anhand eines Referenzhohlkörpers gemessen und im Datensatz 130 in der Speichereinrichtung 120 gemäß 2 abgespeichert worden ist.
-
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den zeitlichen Verlauf der Temperaturänderung an einer vorgegebenen Stelle (x0, y0) auf der Hohlkörperoberfläche 30 des Hohlkörpers 10 auszuwerten. Eine solche Auswertung zeigt beispielhaft die 4. In der 4 ist beispielhaft der zeitliche Temperaturverlauf an der Stelle (x0, y0) dargestellt. Die durchgezogene Linie Tmess(x0, y0, t) zeigt dabei den gemessenen Temperaturverlauf T, der anhand des Hohlkörpers 10 mit Hilfe der Messeinrichtung 140 gemäß 2 aufgenommen worden ist. Die gestrichelte Linie Tref(x0, y0, t) zeigt beispielhaft den entsprechenden Temperaturverlauf, der anhand eines Referenzhohlkörpers gemessen und im Datensatz 130 in der Speichereinrichtung 120 gemäß 2 abgespeichert worden ist. Das Bezugszeichen t0 bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem mit dem Einspeisend des Gases in den jeweiligen Hohlkörper begonnen wurde. Durch einen Vergleich der beiden Messkurven lässt sich feststellen, wie groß die Übereinstimmung bzw. die Abweichung zwischen dem Gasdurchflussverhalten des Austrittslochs 20 des Hohlkörpers 10 und dem entsprechenden Gasdurchflussverhalten des Austrittslochs des Referenzhohlkörpers ausfällt.
-
Neben einer Analyse des Temperaturverlaufs kann darüber hinaus auch die Fläche A(t) zwischen den Messkurven und der Zeitachse ausgewertet werden; dies zeigt beispielhaft die
5. Die Fläche Amess(t1) und die Fläche Aref(t1) berechnen sich beispielsweise wie folgt:
wobei Amess(t1) die Fläche zwischen der gemessenen Messkurve Tmess(x0, y0, t) (durchgezogene Linie) und der Zeitachse t, Aref(t1) die Fläche zwischen der abgespeicherten Referenzkurve Tref(x0, y0, t) und der Zeitachse t, und t0 den zeitlichen Beginn des Gasstromes durch den jeweiligen Hohlkörper bezeichnen.
-
Werden die entsprechenden Flächen Amess(t1) und Aref(t1) für den Hohlkörper 10 sowie für den Referenzhohlkörper entsprechend ermittelt, so lassen sich die Flächeninhalte Amess(t1) und Aref(t1) vergleichen und es lässt sich auf das Gasdurchflussverhalten der beiden Hohlkörper schließen: Weichen die Flächeninhalte Amess(t1) und Aref(t1) zu sehr voneinander ab, so ist der Hohlköper 10 gemäß 1 nicht spezifikationsgemäß; stimmen die Flächeninhalte Amess(t1) und Aref(t1) zumindest näherungsweise überein, so ist der Hohlköper 10 gemäß 1 spezifikationsgemäß. Demgemäß wird ein entsprechendes Ausgangssignal AS am Ausgang der Auswerteeinrichtung 105 erzeugt.
-
Zusammengefasst ermöglicht es die Anordnung gemäß 2 also beispielsweise, die Änderung der Bauteiltemperatur eines Hohlkörpers 10 als Funktion der Zeit unter Zuhilfenahme eines Referenzhohlkörpers so auszuwerten, dass eine Aussage über die Einhaltung eines vorgegebenen Gasdurchflussverhaltens möglich ist. Beispielsweise kann die Temperaturänderung als Funktion der Zeit in einem Thermogramm erfasst werden. Die thermische Erfassung kann beispielsweise in Form eines integralen Bildes der Hohlkörperoberfläche erfolgen, wobei die Austrittsöffnungen in der Hohlkörperoberfläche im Thermogramm erfasst und ausgewertet werden. Beispielsweise kann ein virtuelles Messnetz über die Austrittsöffnungen gelegt und der Temperaturverlauf über der Zeit in den virtuellen Messzellen ermittelt werden. Die Temperaturänderung in den virtuellen Messzellen kann mit Messungen an einem Kalibriernormal, beispielsweise in Form des Referenzhohlkörpers, verglichen werden, und so auf das Einhalten vorgegebener Toleranzen für die Austrittslöcher und/oder für das Gasdurchflussverhalten des Hohlkörpers insgesamt geschlossen werden.
-
Das Ergebnis der Messung, das von der Auswerteeinrichtung 105 gemäß 2 gebildet wird, kann beispielsweise in Form eines Vielfarbenbildes, als Datenmatrix und/oder als Ja-/Nein-Aussage aufbereitet werden. Eine zweidimensionale Messwerterfassung und eine zweidimensionale Auswertung der Messergebnisse ermöglicht dabei insbesondere auch, asymmetrisch arbeitende Austrittslöcher, also solche, die einen gerichteten Gasaustritt hervorrufen, mit Blick auf die zu erzielende Richtwirkung sehr genau auszuwerten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Hohlkörper
- 20
- Austrittslöcher
- 30
- Hohlkörperoberfläche
- 40
- Einspeisestelle
- 100
- Einspeiseeinrichtung
- 105
- Auswerteeinrichtung
- 110
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 120
- Speichereinrichtung
- 130
- Referenzdatensatz
- 140
- Messeinrichtung
- 150
- Raster
- AS
- Ausgangssignal
- A(t)
- Fläche
- Gaus
- austretender Gasstrom
- Gein
- eingespeister Gasstrom
- ST
- Steuersignal
- T
- Temperatur
- t
- Zeit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
wobei Amess(t1) die Fläche zwischen der gemessenen Messkurve Tmess(x0, y0, t) (durchgezogene Linie) und der Zeitachse t, Aref(t1) die Fläche zwischen der abgespeicherten Referenzkurve Tref(x0, y0, t) und der Zeitachse t, und t0 den zeitlichen Beginn des Gasstromes durch den jeweiligen Hohlkörper bezeichnen.