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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung von Schleuderbauteilen in einem Prüfstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Schleuderbauteile wie Laufschaufeln und Rotoren von Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, sind hohen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Um einen Defekt der Schleuderbauteile rechtzeitig erkennen zu können, wird deren Zustand meistens mittels eines Überwachungsverfahrens im laufenden Betrieb überwacht. In der
US 6,584,849 B2 wird z. B. zur Überwachung von Laufschaufeln vorgeschlagen, eine der Laufschaufeln mit einem Dehnungsmessstreifen zur Erfassung der Schwingungen dieser Laufschaufel zu bestücken und zwei stationäre Schwingungssensoren zur Bestimmung der Schwingungen sämtlicher Laufschaufeln vorzusehen. Die Signale des Dehnungsmessstreifens und der Schwingungssensoren werden überlagert, wobei beim Auftreten einer bestimmten Relation eine Beschädigung zumindest einer der Laufschaufeln vermutet wird.
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In der
DE 199 23 143 A1 wird ein Überwachungsverfahren vorgeschlagen, bei dem an einem versagungskritischen Bereich eines Rotors ein Dehnungsmessstreifen positioniert wird, der eine eingestellte Rissdehnung aufweist. Beim Erreichen der eingestellten Rissdehnung wird ein Signal generiert, das als Information zum Abbremsen oder Abschalten des Rotors gesendet wird.
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In der
US 6,456,945 B1 ist ein Überwachungsverfahren für einen Rotor gezeigt, bei dem anhand einer ermittelten Differenz zwischen Ist-Schwingungen und Soll-Schwingungen auf eine Beschädigung des Rotors geschlossen wird.
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In der
US 4,685,335 A wird ein Überwachungsverfahren vorgeschlagen, bei dem mittels Schallemissionssignalen, die beim Auftreten einer Beschädigung in einem Rotor erzeugt werden, und unter Berücksichtigung von Ist-Schwingungen die Lage und Größe der entstandenen Beschädigungen ermittelt wird.
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In der
US 2003/0122682 A1 wird ein Überwachungsverfahren für Rotoren auf Basis von Wirbelströmen gezeigt. Dabei werden in versagungskritischen Bereichen wie Schaufelfußaufnahmen elektrische Leiterbahnen installiert, die an einer stationären Erreger- und Erfassungseinheit vorbeigeführt werden. Bei einer Beschädigung im Bereich der Schaufelfußaufnahmen tritt eine unverhältnismäßige Belastung zumindest einer der Leiterbahnen auf, die sich in einer messbaren Impedanzänderung äußert.
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Nachteilig an den vorbeschriebenen bekannten Überwachungsverfahren ist insbesondere, dass diese eine komplizierte Installation und Steuerungselektronik erfordern sowie verhältnismäßig störanfällig sind, da die Schleuderbauteile im montierten Zustand bzw. im Betrieb überwacht werden. Ferner ist ein Austausch der Teile sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Es ist jedoch auch bekannt, Wirbelströme bei Schleuderbauteile zur Qualitätskontrolle in einem Prüfstand, beispielsweise zur Erkennung von oberflächennahen Beschädigungen wie Poren, Rissen und sonstigen Unstetigkeiten bei Nockenwellen, einzusetzen. Die Nockenwelle wird in Rotation versetzt und an einer stationären Sende- und Empfängerspule vorbeigeführt. Mittels der Sendespule werden Wirbelströme in der Oberfläche der Nockenwelle induziert, die von der Empfängerspule erfasst werden. Als Konsequenz generiert die Empfängerspule ein sekundäres elektromagnetisches Feld, das sich mit dem primären elektromagnetischen Feld der Sendespule überlagert und zu einer vorbestimmten Phasen- und Amplitudenveränderung desselben führt. Beschädigung bewirken nun eine unvorhergesehenen Phasen- und Amplitudenveränderung, wodurch deren Existenz und die Beschädigung des Schleuderbauteils empfindlich nachgewiesen werden kann. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass die Nockenwelle nicht unter Betriebsbedingungen getestet wird und dass keine detaillierte Aussage über den Zustand des Schleuderbauteils getroffen wird, sondern dass lediglich das Vorhandensein einer Unstetigkeit nachgewiesen wird. Eine Optimierung der geprüften Bauteile bzgl. ihren Geometrien und Materialien ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
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Ein Prüfstandverfahren zum Prüfen von Schleuderbauteilen, beispielsweise Laufschaufeln, unter Betriebsbedingungen zur Simulation eines Lebenszykluses ist in der deutschen Patentanmeldung
DE 43 34 799 A1 der Anmelderin gezeigt. Bei diesem Verfahren werden die Laufschaufeln auf Betriebstemperatur beheizt, in Rotation und Schwingungen versetzt und beispielsweise optisch mittels Laserstrahlen überwacht. Allerdings werden auch mit diesem Verfahren Beschädigungen lediglich an sich nachgewiesen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Schleuderbauteils in einem Prüfstand, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und die Bestimmung einer maximalen Belastungsgrenze des Schleuderbauteils erlaubt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Bei einem Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Schleuderbauteils in einem Prüfstand, insbesondere von Rotorscheiben einer Strömungsmaschine, wird das Schleuderbauteil erfindungsgemäß einer Rissprüfung auf Basis von Wirbelströmen zur Erfassung von zumindest einer Unstetigkeit unterzogen und ab dem Erreichen eines bestimmten elektrischen Messgrößenwertes die Rotation des Schleuderbauteils abgebremst bzw. beendet. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Anrisse an versagungskritischen bzw. vorab bekannten Bereichen frühzeitig erkannt werden und der Testlauf beim Erreichen der maximalen Belastung rechtzeitig beendet werden. Hierdurch wird ein Bersten des Schleuderbauteils verhindert, wodurch eine Beschädigung des Prüfstands bzw. der Prüftechnik aufgrund von umherfliegender Schleuderbauteilstücke wirkungsvoll vermieden wird. Die Kenntnis der Belastungsgrenze ermöglicht ferner eine Optimierung des Bauteils hinsichtlich seiner Geometrie und Materialien, wodurch insbesondere Wartungskosten reduziert und Wartungsintervalle optimiert werden können. Ferner ist eine weniger intensive Überwachung der Schleuderbauteile im Betrieb erforderlich, da deren Lebensdauern und kritischen Bereiche bekannt sind. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Verkürzung der Testläufe an sich, da die maximale Belastungsgrenze verlässlich bestimmt werden kann und sich nicht schrittweise an diese herangetastet werden muss. Die jeweilige Belastungsgrenze bzw. der jeweilige maximale Messgrößenwert kann beispielsweise über numerische Festigkeitsberechnungen, die auf empirischen Materialdaten aufbauen, verlässlich ermittelt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird als Messgröße die Spannung herangezogen, wobei sowohl die von einer Sendespule in das Schleuderbauteil induzierte und von einer Empfängerspule erfasste Spannung als auch die resultierende Spannung aufgrund einer Überlagerung der elektromagnetischen Felder der Sende- und der Empfängerspule verwendet werden kann.
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Ebenso kann die induzierte oder resultierende Stromstärke als elektrische Messgröße verwendet werden.
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Weiterhin kann die Phasenverschiebung zwischen der induzierten und/oder resultierenden Spannung und der induzierten und/oder resultierenden Stromstärke als elektrische Messgröße verwendet werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird über die zumindest eine Unstetigkeit eine Drehfrequenz erzeugt, beispielsweise bei einer Drehzahl von 60.000 U/min erzeugt jede Unstetigkeit eine Drehfrequenz von f = 1 kHz, die als Amplitudenveränderung des induzierten Wirbelstroms erfasst wird. Jede Unstetigkeit bewirkt eine Veränderung der Drehfrequenz, so dass auf die Anzahl der Unstetigkeiten rückgeschlossen werden kann. Es entstehen Drehzahlharmonische anhand derer die Drehzahl des Bauteils ermittelt wird.
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Zum Prüfen des Schleuderbauteils unter Betriebsbedingungen kann das Schleuderbauteil auf seine Betriebstemperatur während des Tests erwärmt werden. Darüber hinaus kann das Schleuderbauteil mit entsprechenden im Betrieb auftretenden Vibrationen beaufschlagt werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zustandsüberwachung eines Schleuderbauteils hat eine Dreheinrichtung zur Rotation des Schleuderbauteils und eine Rissprüfeinrichtung, mittels der auf Basis von Wirbelströmen zumindest eine Unstetigkeit in dem Schleuderbauteil erfassbar ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Abschalteinrichtung zum Abbremsen bzw. Abschalten der Dreheinrichtung ab einem bestimmten elektrischen Messgrößenwert auf. Die Vorrichtung erlaubt einen vollautomatisierten Testlauf, so dass eine manuelle Überwachung der Schleuderprüfung nicht notwendig ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Rissprüfeinrichtung eine Erreger- bzw. Sende- und eine Empfängerspule in transversaler Anordnung auf, wobei das Schleuderbauteil zwischen den Spulen angeordnet ist. Hierdurch bildet der Abstand der Spulen zu dem Schleuderbauteil keinen für die Ermittlung der elektrischen Messgröße relevanten Parameter.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von axial bzw. radial angeordneten Sendespulen und Empfängerspulen vorgesehen. Diese Anordnung erlaubt es, den Verlauf und die Größe der jeweiligen Unstetigkeit verlässlich zu bestimmen.
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Um eine Winkelposition der jeweiligen Unstetigkeit verlässlich zu bestimmen, kann die Vorrichtung beispielsweise einen optoelektronischen Winkelgeber aufweisen.
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Zur Zustandsüberwachung des Schleuderbauteils bei Betriebstemperatur kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen desselben vorgesehen sein. Dabei kann es, um zu verhindern, dass wegen der erhöhten Temperatur des Schleuderbauteils eine Beschädigung der Rissprüfeinrichtung beispielsweise durch einen Kurzschluss zwischen den Spulwicklungen aufgrund von geschmolzener Isolation auftritt, vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung eine entsprechende Kühleinrichtung zum Kühlen der Rissprüfeinrichtung aufweist. Zur Übertragung der im Betrieb auftretenden Schwingungen kann eine entsprechende Schwingungseinrichtung zur Beaufschlagung des Schleuderbauteils mit entsprechenden Vibrationen vorgesehen sein.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer schematischen Figur näher erläutert. Es zeigt die einzige 1 einen schematischen erfindungsgemäßen Versuchsaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß 1 hat eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Zustandsüberwachung eines Schleuderbauteils 4 im Prüftstand unter Betriebsbedingungen bzw. zur Ermittlung einer maximalen Belastungsgrenze des Schleuderbauteils 4 eine Dreheinrichtung 6 zum Einspannen und Rotieren des Bauteils 4 um eine Drehachse 8 entsprechend seiner im Betrieb auftretenden Drehzahlen. Das Schleuderbauteil 4 ist beispielsweise eine Rotorscheibe eines Flugzeugtriebwerkrotors ohne Beschaufelung, allerdings kann es auch im beschaufelten Zustand getestet werden.
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Des Weiteren hat die Vorrichtung 2 eine Rissprüfeinrichtung 10 zur Erfassung von Unstetigkeiten 12 des Schleuderbauteils 4 auf Basis von Wirbelströmen. Die Rissprüfeinrichtung 10 hat eine Sende- bzw. Erregerspule 14 zur Induzierung von Wirbelströmen in das Schleuderbauteil 4 und eine Empfängerspule 16 zur Erfassung der induzierten Wirbelströme. Die Spulen 14, 16 sind an entgegengesetzten Seiten des Schleuderbauteils 4 transversal zueinander angeordnet, wodurch bei der Erfassung des induzierten Wirbelstroms der Abstand der Spulen 14, 16 zum Schleuderbauteil 4 nicht zu berücksichtigten ist, sondern lediglich die Leitfähigkeit und Permeabilität.
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Ferner hat die Vorrichtung 2 einen nicht gezeigten optoelektronischen Winkelgeber, mit dessen Hilfe die Winkelposition der jeweiligen Unstetigkeit 12 erfasst wird.
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Des Weiteren hat die Vorrichtung 2 eine nicht gezeigte Heizeinrichtung zur Erwärmung des Schleuderbauteils 4 auf Betriebstemperatur sowie eine nicht gezeigte Kühleinrichtung zur Vermeidung einer unangemessenen Aufheizung der Rissprüfeinrichtung 10 beim Erwärmen des Schleuderbauteils 4 auf seine Betriebstemperatur, da diese zu einem Kurzschluss in den Spulenwicklungen aufgrund von geschmolzener Isolation führen könnte.
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Ebenso weist die Vorrichtung 2 eine nicht gezeigte Abschalteinrichtung zum Abbremsen bzw. Abschalten der Dreheinrichtung 6 beim Erreichen einer bestimmten elektrischen Messgröße auf.
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Zur Zustandsüberwachung eines Schleuderbauteils 4 wird dieses in die Dreheinrichtung 6 eingespannt, in Rotation versetzt und über die Heizeinrichtung erwärmt. Das Schleuderbauteil 4 durchläuft einen vorbestimmten Testlauf mit vorgegebenen Testparametern wie wechselnder Drehzahl und Betriebstemperatur. Beispielsweise kann das Schleuderbauteil 4 zur Darstellung eines Lebenszykluses eines Flugzeugtriebwerkrotors eine Drehzahl von 20.000 bis 40.000 U/min bei mehrmaligen Hoch- und Runterfahren aufweisen.
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Die Rissprüfeinrichtung 10 wird über die Kühleinrichtung gekühlt und derart angesteuert, dass über die Sendespule 14 Wirbelströme in dem Schleuderbauteil 4 induziert und diese über die Empfängerspule 16 detektiert werden. Sobald eine Unstetigkeit 12 in dem Schleuderbauteil 4 entsteht, äußerst sich dieses in einer Amplitudenänderung des induzierten Wirbelstroms, was beispielsweise als ein Amplitudenanstieg der induzierten Spannung abgebildet wird. Gleichzeitig wird über den Winkelgeber die Winkelposition der Unstetigkeit 12 erfasst. Dabei erzeugen die Unstetigkeiten 12, die nicht auf einer radialen Linie nebeneinander angeordnet sind, sondern zwischen denen ein Winkel aufgespannt ist, eine Veränderung der erfassten Drehfrequenz, die unabhängig von der Drehzahl des Schleuderbauteils 4 ist, so dass die Anzahl der Unstetigkeiten 12 ebenfalls ermittelt wird. Die Gesamtheit der Unstetigkeiten 12 spiegelt sich in dem Amplitudenanstieg wieder, wobei erfindungsgemäß ab dem Erreichen eines vorbestimmten Amplitudenanstiegs und somit eines bestimmten Wertes der induzierten Spannung zur Vermeidung eines Berstens des Schleuderbauteils 4 die Dreheinrichtung 6 über die Abschalteinrichtung vollautomatisch abgeschaltet und der Testlauf beendet wird. Abschließend werden der Testlauf und das Verhalten des Schleuderbauteils 4 bzw. seine Unstetigkeiten 12 ausgewertet und beispielsweise bei Wartungsplänen und Designänderungen berücksichtigt.
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Offenbart ist ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Schleuderbauteils im Prüfstand, insbesondere von Rotorscheiben einer Strömungsmaschine, bei dem das Schleuderbauteil einer Rissprüfung auf Basis von Wirbelströmen zur Erfassung von zumindest einer Unstetigkeit unterzogen und ab dem Erreichen eines bestimmten Wertes einer elektrischen Messgröße wie Spannung, Stromstärke und Phasenverschiebung, die Rotation des Schleuderbauteils abgebremst bzw. beendet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Bauteil
- 6
- Dreheinrichtung
- 8
- Drehachse
- 10
- Rissprüfeinrichtung
- 12
- Unstetigkeit
- 14
- Sendespule
- 16
- Empfängerspule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6584849 B2 [0002]
- DE 19923143 A1 [0003]
- US 6456945 B1 [0004]
- US 4685335 A [0005]
- US 2003/0122682 A1 [0006]
- DE 4334799 A1 [0009]
