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Hintergrund der Erfindung
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Diese Beschreibung betrifft allgemein die mechanische Ausfallüberwachung, und insbesondere, ein System und eine Turbine mit einem Kriechanzeigeelement.
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Die Lebensdauer mechanischer Teile, wie zum Beispiel die eines Rotors in einer Turbine, wird durch einen oder mehrere verschiedene Ausfallmechanismen bestimmt. In Turbinenrotoren, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sind Kriechen und niederzyklische Ermüdung (LCF) die vorherrschenden Ausfallmechanismen. Rotorausfälle können katastrophal sein. Das Bersten eines Rotors kann zu Schäden in Millionenhöhe führen und möglicherweise Menschenleben kosten. Demzufolge werden Rotoren für eine Nutzungslebensdauer ausgelegt, die kürzer als die vorgesagte Berstlebensdauer ist und die ausreichend kürzer ist, um die Gefahr eines Ausfalls während des Betriebs stark zu reduzieren.
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Viele Rotoren haben eine eingeschränkte Kriechlebensdauer. Die Kriechlebensdauervorhersage hängt von vielen Variablen einschließlich Temperatur, Belastung und Materialeigenschaften ab. Temperatur und, mittels der Rotordrehzahl, Belastung können während des Turbinenbetriebs überwacht werden. Materialeigenschaften variieren jedoch von Rotor zu Rotor. Leider kann der Bereich von Materialeigenschaften nur durch zerstörendes Prüfen ermittelt werden. Aufgrund der Variabilität in den Materialeigenschaften variieren Rotorlebensdauern, sowohl vorhergesagte als auch tatsächliche in großem Maße.
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Das Ausmaß für Rotorkriechen kann für große Rotoren ermittelt werden, indem der Rotor nach einer Betriebsdauer gemessen wird. Typischerweise wird der Rotor gemessen, mit der anfänglichen Rotordurchmessermessung verglichen und dann mit einem Kriechmodell korreliert, um den Kriechbetrag und somit den Betrag der verbrauchten Lebensdauer abzuschätzen. Leider erfordert dieser Lösungsansatz gute Messungen des neuen Rotors, gute Datenspeicherung und Abrufbarkeit und die Zerlegung der Turbine zum Zeitpunkt der Messung. Die Zerlegung der Turbine erfordert einen sehr hohen Zeit- und Kostenaufwand.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Ein erster Aspekt der Offenlegung stellt ein System bereit, das aufweist: ein Kriechanzeigelement auf einer rotierenden Komponente; und eine Messvorrichtung, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung in der radialen Position des Kriechanzeigeelementes zu messen.
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Ein zweiter Aspekt der Offenlegung stellt eine Turbine bereit, welche aufweist: eine rotierende Komponente; ein Kriechanzeigeelement auf der rotierenden Komponente; eine Messvorrichtung, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung in radialer Position des Kriechanzeigeelementes zu messen; und ein Kriechkorrelationssystem, das dafür eingerichtet ist, den Kriechbetrag des Kriechanzeigeelementes mit einem Kriechbetrag der rotierenden Komponente zu korrelieren.
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Die veranschaulichenden Aspekte der vorliegenden Offenlegung sind dafür ausgelegt, die hierin beschriebenen Probleme und/oder weiterer nicht diskutierter Probleme zu lösen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese und weitere Merkmale dieser Offenlegung werden aus der nachstehenden detaillierteren Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Offenlegung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsformen der Offenlegung darstellen, besser erkennbar, in welchen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Systems darstellt, das ein Kriechanzeigeelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält.
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2 eine Querschnittsansicht des Systems von 1 nach einer Nutzungsdauer darstellt.
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3 einen Graphen darstellt, der das Kriechen einer rotierenden Komponente über einem Kriechanzeigeelement zur Verwendung mit einem Kriechkorrelationssystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
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4 und 5 eine Draufsicht beziehungsweise eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Kriechanzeigeelementes gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
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6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kriechanzeigeelementes gemäß der Erfindung darstellt;
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7 und 8 eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kriechanzeigeelementes darstellen.
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9 und 10 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsform eines Systems mit einem erfindungsgemäßen Kriechanzeigeelement darstellen.
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11 einen Graphen darstellt, der eine Modellierung eines Kriechvorgangs für eine bestehende rotierende Komponente zur Verwendung mit einem Kriechkorrelationssystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
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Es sei angemerkt, dass die Zeichnungen der Offenlegung nicht maßstäblich sind. Die Zeichnungen sollen nur typische Aspekte der Erfindung darstellen und dürfen daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Wie vorstehend angegeben, stellt die Beschreibung ein System zur Überwachung von mechanischem Ausfall mit einem Kriechanzeigeelement bereit. In den 1 und 2 ist eine Ausführungsform eines Systems 10, das ein Kriechanzeigeelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält, dargestellt. Das System 100 ist in Verbindung mit einer Turbine 101 dargestellt, das einen Stator 102 und eine rotierende Komponente 104 beispielsweise in der Form einer rotierenden Welle oder eines Rotors enthält. Es ist nur ein Teil jeder Struktur zur Verdeutlichung dargestellt. Weitere Ausführungsformen können ebenfalls möglich sein und werden als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegend betrachtet. Der Stator 102 kann Teil eines Schutzmantels um die rotierende Komponente 104 sein. Die rotierende Komponente 104 dreht sich in die und aus der Seite von 1 um eine Achse A.
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Das System 100 enthält ein Kriechanzeigeelement 110 auf der rotierenden Komponente 104. Wie es hierin beschrieben wird, kann sich das Kriechanzeigeelement 110 ”auf” der rotierenden Komponente 104 befinden, indem es auf einer Oberfläche oder in einer Oberfläche der rotierenden Komponente ausgebildet ist, oder indem es mit der rotierenden Komponente verbunden ist. Das Kriechanzeigeelement 110 kann jeden beliebigen Aufbau haben, der dafür ausgestaltet ist, einer höheren Belastung als die rotierende Komponente 104 zu unterliegen, was zu einer größeren Kriechrate als die der rotierenden Komponente 104 führt. Das heißt, das Kriechanzeigeelement 110 ist so ausgelegt, dass es schneller als der Rest der rotierenden Komponente 104 kriecht, sodass dessen Verbiegung ausgeprägter ist und leichter zu messen ist. Das Kriechanzeigeelement 110 kann auf diese Weise durch die Verwendung von spezifischen(r) Materialien, Form, Größe oder anderer Merkmale ausgestaltet werden. ”Kriechen”, so wie es hierin verwendet wird, zeigt die Tendenz eines festen Materials an, sich unter den Einfluss von Belastungen und Temperatur langsam zu bewegen oder plastisch zu verformen. Verschiedene Ausführungsformen des Kriechanzeigeelementes 110 werden hierin beschrieben.
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2 stellt ein Kriechanzeigeelement 110 nach einer Zeitdauer dar. In 2 hat sich das Kriechanzeigeelement 110 radial nach außen verformt. Eine Messvorrichtung 120 ist dafür eingerichtet, eine Änderung in der radialen Position (R2-R1) des Kriechanzeigeelementes 110 zu messen, um somit eine Anzeige für die Lebensdauererwartung der rotierenden Komponente 104 zu liefern. Wie es hierin beschrieben wird, kann sich die Messvorrichtung 120 durch einen Zugang 122 im Stator 102, zum Beispiel in einem Schutzmantel um die rotierende Komponente 104 herum erstrecken. Zahlreiche Ausführungsformen der Messvorrichtung 120 werden ebenfalls hierin diskutiert.
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Um zu veranschaulichen, wie das System 100 einen Lebensdauerverbrauch, Verformung und/oder bevorstehenden mechanischen Ausfall der rotierenden Komponente 104 anzeigt, stellt 3 einen Graphen einer Belastung über der Zeitdauer dar. In 3 stellt die Strichlinie eine Belastung über der Zeit in einem Teil der rotierenden Komponente 104 dar, während die durchgezogene Linie die Belastung über der Zeit des Kriechanzeigeelementes 110 darstellt. Da das Kriechanzeigeelement 110 zum Beispiel aufgrund seiner Form stärker belastet ist, kriecht es schneller. Die radial außen nach gerichtete Verformung des Kriechanzeigeelementes 110, da sich die rotierende Komponente 104 dreht, kann mit der Verformung in der rotierenden Komponente 104 beispielsweise unter Anwendung von herkömmlicher Modellierung korreliert werden. Auf diese Weise liefert das Kriechanzeigeelement 110 eine Anzeige der Verformung in der und somit der Lebensdauererwartung der rotierenden Komponente 104, ohne tatsächlich die rotierende Komponente 104 messen zu müssen.
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Das Kriechanzeigeelement 110 kann eine Vielfalt von Formen annehmen. In den 1 und 2 ist das Kriechanzeigeelement 110 in einem Stück mit und auf der rotierenden Komponente 104 ausgebildet. Das heißt, das Kriechanzeigeelement 110 enthält eine zusätzliche Materialmenge auf einer Oberfläche 114 (1) der rotierenden Komponente 104 dergestalt, dass es sich radial über die Oberfläche 114 der rotierenden Komponente 104 hinaus erstreckt. In 1 und 2 enthält das Kriechanzeigeelement 110 ein auskragendes Element 116 (1), das sich zu Beginn im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A der rotierenden Komponente 104 erstreckt. In dieser Ausführungsform erstreckt sich das auskragende Element 116 radial über die Oberfläche 114 der rotierenden Komponente 104 hinaus. Da die rotierende Komponente 104 über der Zeit rotiert, wie es durch den gebogenen Pfeil in 1 dargestellt ist, biegt oder verformt sich das auskragende Element 116 von einer radialen Position R1 radial nach außen in eine radiale Position R2 gemäß Darstellung in 2. Die auskragende Gestaltung des Kriechanzeigeelementes 110 verstärkt die Verformung für eine gegebene Kriechbelastung, was die Messung erleichtert. Das Kriechanzeigeelement 110 kann in jeder derzeit oder später zu entwickelnden Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann es in den Schmiedeprozess für die rotierende Komponente 104 einbezogen werden, aus einem Schmiedevorgang zusammen mit der Oberfläche 114 bearbeitet werden oder an die rotierende Komponente 104 entweder in fertiger Form oder mit anschließender Bearbeitung auf Form geschweißt werden.
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Im Gegensatz dazu kann gemäß Darstellung in den 4 bis 6 das Kriechanzeigeelement 210 in einer alternativen Ausführungsform in einer rotierenden Komponente 104 erzeugt werden. In dieser Ausführungsform enthält das Kriechanzeigeelement 210 ein auskragendes Element 216, das zu Beginn im Wesentlichen bündig zu der Oberfläche 114 (5 und 6) der rotierenden Komponente 104 ist. Das auskragende Element 216 kann durch Herausarbeiten einer Öffnung 218 in der rotierenden Komponente 104 in jeder derzeit bekannten oder später entwickelten Form erzeugt werden. Die Öffnung 218 enthält einen Hinterschnitt 220, um das auskragende Element 216 zu erzeugen. Gemäß Darstellung in 6 kann in einer alternativen Ausführungsform das auskragende Element 216 ein Paar in Längsrichtung gegenüberliegender auskragender Elemente 216A, 216B enthalten, indem man beispielsweise die Öffnung 218 ein Paar von Hinterschnitten 220 enthalten lässt. Die Ausführungsformen der 4 bis 6 sind schwieriger herzustellen, haben aber unter anderem einen Vorteil, dass sie bei bestehenden oder im Feld eingesetzten Rotoren angebracht werden können. Das heißt bei Rotoren, die vor der Konzeption von Ausführungsformen dieser Erfindung konstruiert und erzeugt wurden.
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7 und 8 stellen eine weitere alternative Ausführungsform dar, in welcher ein Kriechanzeigeelement 310 ein stiftkopfförmiges Element 316 enthält, das sich aus einer Oberfläche 114 der rotierenden Komponente 104 erstreckt. Das stiftkopfförmige Element 316 kann beispielsweise einen Schaft 318 und einen abgeflachten Kopf 320 enthalten. Das Kriechanzeigeelement 310 kann auf einer rotierenden Komponente 104 in jeder Weise wie vorstehend in Bezug auf die Ausführungsformen der 1 und 2 vorgesehen sein. Der Schaft 318 steht unter reiner Zugbelastung (statt einer Biegung wie in anderen Ausführungsformen) und kriecht über der Zeit. Der abgeflachte Kopf 320 stellt ein zusätzliches Gewicht zum Erhöhen der Zentrifugalzugkraft auf den Schaft 318 bereit.
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In jeder von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Kriechanzeigeelementes, zeigen die Zeichnungen, dass das entsprechende Kriechanzeigeelement nur auf einem Teil des Umfangs der rotierenden Komponente 104 (zum Beispiel einer rotierenden Welle) vorhanden ist. In diesen Fällen können mehrere lokale Kriechanzeigeelemente 110 in Umfangsrichtung in Abstand um die rotierende Komponente 104 herum angeordnet sein, um für eine geeignete Auswuchtung der rotierenden Komponente 104 zu sorgen. In alternativen Versionen, wie zum Beispiel den in 1, 2 und 9, kann sich jedoch das Kriechanzeigeelement 110 um einen ganzen Umfang der rotierenden Komponente 104, zum Beispiel eine Rotationswelle erstrecken. In diesem letzteren Falle zeigt sich keine Unwucht der rotierenden Komponente 104.
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Gemäß den 1 und 2 zusammen mit 9 und 10 kann die Messvorrichtung 120 (1 und 2) eine Vielfalt von Vorrichtungen enthalten, die in der Lage sind, die Änderung in der radialen Position des Kriechanzeigeelementes 110, 210, 310 (hierin nachstehend zusammengenommen als ”Kriechanzeigeelement 110” bezeichnet) zu messen oder zu detektieren. Die rotierende Komponente 104 muss nicht aus ihrer Lage entfernt werden zum Beispiel in dem Stator 102 einer Turbine, um den Lebensdauerverbrauch, die Verformung usw. der rotierenden Komponente 104 zu ermitteln. Wie hierin angegeben, wird die Messvorrichtung 120 durch einen Zugang 122 im Stator 102 bereitgestellt. Der Zugang 122 kann radial außerhalb des Kriechanzeigeelementes 110 gemäß Darstellung in den 1, 2, 5 und 10 offen sein. In diesem Falle kann die Messvorrichtung 120 beispielsweise eine Messuhr oder eine Laser-Messvorrichtung beinhalten. Alternativ kann der Zugang 122 zu dem Kriechanzeigeelement 110 in einem Winkel gemäß Darstellung in 9 offen sein. In diesem Falle kann das Messinstrument 120 ein Boroskop beinhalten, welches auch zur visuellen Inspektion verwendet werden kann. Wenn die Messvorrichtung 120 (1) einen Abstandssensor enthält, kann es möglich sein, die Messung während der Betriebsrotation der rotierenden Komponente 104 durchzuführen. Ein abnehmender Abstand zwischen dem Kriechanzeigeelement 110 und dem Stator 102 würde Kriechen anzeigen. In diesem Falle müsste die Turbine 101 nicht angehalten werden.
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Die Messung der Änderung in der radialen Position (R2-R1) kann in einer Anzahl von Arten erreicht werden. Die Messung eines Kriechabstandes δ, wie es beispielsweise in den 1 und 7 dargestellt ist, ist ein Lösungsansatz. Ein weiterer Lösungsansatz besteht in der Messung der Änderung im Zwischenabstand α, gemäß Darstellung in 5 zwischen dem Kriechanzeigeelement 210 auf der rotierenden Komponente 104 und einem Stator 102. Obwohl dieser letztere Lösungsansatz wahrscheinlich eine einfachere Messung als der in den 1 und 7 dargestellte ist, kann er erfordern, dass man die Turbine 101 (oder andere Maschinen, in welcher das System 100 angewendet wird) auf Umgebungstemperatur abkühlen lässt. Der Zwischenabstand kann jedoch kontinuierlich gemessen werden, sobald die Turbine 101 arbeitet. Auf diese Weise kann eine Abnahme des Zwischenabstandes α im stabilen Zustand über der Zeit mit der Kriechbelastung und somit mit dem Rotorlebensdauerverbrauch korreliert werden. Wiederum besteht ein Vorteil des Zwischenabstand-Sensortyps der Messvorrichtung 120 (1) darin, dass keine Unterbrechung des Turbinenbetriebs zur Datensammlung erforderlich ist.
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Gemäß 1 kann das System 100 auch ein Kriechkorrelationssystem 150 enthalten, das dafür eingerichtet ist, einen Kriechbetrag des Kriechanzeigeelementes 110 mit einem Kriechbetrag der rotierenden Komponente 104 zu korrelieren. Das Kriechkorrelationssystem 150 kann beliebig derzeit bekannte oder später entwickelte prognostische Computermodelle verwenden. In einer Ausführungsform kann das Kriechkorrelationssystem 150 einen erwarteten Kriechbetrag für eine neue rotierende Komponente 104 mit einem Kriechanzeigelement 110 beispielsweise auf der Basis erwarteter Materialien, bekannter Größe, bekannter Betriebsumgebung, usw. korrelieren.
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Alternativ kann, wie es unter Bezugnahme auf 11 erläutert wird, ein Kriechanzeigeelement 110 zum Überwachen einer rotierenden Komponente 104 während ihrer Lebensdauer nützlich sein. In 11 repräsentiert die durchgezogene Kurve durchschnittliche Kriecheigenschaften des Materials der rotierenden Komponente 104. Die Strichkurven stellen den Bereich der Kriecheigenschaftenunsicherheit dar, der in diesem Beispiel als ±2 Standardabweichungen (±2σ) definiert ist. Die Eigenschaften jeder rotierenden Komponente 104 des gegebenen Materials liegen irgendwo in dem durch den Unsicherheitsbereich begrenzten Kontinuum. Durch Messen der Kriechverformung in einem Kriechanzeigeelement 110, das der rotierenden Komponente 104 an Zeitpunkten hinzugefügt worden ist, kann deren Verformungsrate ermittelt werden. Mit dieser gemessenen Verformungsrate des hinzugefügten Kriechanzeigeelementes 110 kann das Kriechkorrelationssystem 150 Kriecheigenschaften für die spezielle rotierende Komponente 104 feststellen und eine erwartete Lebensdauer unter Verwendung jeder derzeit bekannten oder später entwickelten Modellierungstechnik abschätzen. Ein weiterer einfacherer Lösungsansatz besteht in der tatsächlichen Messung des Durchmessers der rotierenden Komponente 104 an mehreren Stellen während der Hauptinspektionen zum Vergleich mit den Abmessungen zum Einbauzeitpunkt, um deren Kriechverformungsrate zu ermitteln. Mit diesen bei einer Hauptinspektion vorgenommenen Messungen kann das Kriechkorrelationssystem 150 die erwartete Lebensdauer auf der Basis des Kriechanzeigeelementes 110 und der Betriebsdaten vorhersagen.
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Gemäß nochmaligem Bezug auf 2 kann an einem bestimmten Punkt in der Lebensdauer der Turbine 101, nachdem sich das Kriechanzeigeelement 110 wesentlich verformt hat, das Element selbst in den tertiären Kriechbereich eintreten und es können sich ein Riss beziehungsweise Risse 112 sich bilden. Um einen Schaden vor abgelöstem Material zu verhindern, können einige Vorkehrungen erforderlich sein. Eine Lösung besteht darin, das Kriechanzeigeelement 110 so auszulegen, dass abgelöstes Material ausreichend klein ist, um so nur einen minimalen Schaden zu bewirken. Eine weitere Lösung besteht in der Entfernung des Kriechanzeigeelementes 110 (zum Beispiel durch mechanisches Bearbeiten der rotierenden Komponente 104) nachdem eine vorbestimmte Kriechbelastung aufgezeichnet worden ist. Der Zeitpunkt für diesen letzteren Lösungsansatz könnte mit der Hauptinspektion der rotierenden Komponente 104 abgestimmt sein und/oder einen gewissen Lebensdauermeilenstein (zum Beispiel 75%) der Rotorlebensdauererwartung repräsentieren.
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Es sei betont, dass die hierin beschriebenen Kriechanzeigeelemente auch eine Vielfalt anderer hierin nicht beschriebener Formen annehmen können, die in der Lage. sind, ihre variable Position über der Zeit zu verändern.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht die Erfindung einschränken. So wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen mit einschließen, soweit der Kontext nicht deutlich anderes anzeigt. Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Begriffe ”weist auf” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen festgestellter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht das Vorliegen oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
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Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Schritte plus Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen jede Struktur, Material oder Handlung zum Durchführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen wie ausdrücklich beansprucht, beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgte zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung, soll aber nicht erschöpfend oder auf die Erfindung in der dargestellten Form beschränkt sein. Viele Modifikationen und Änderungen werden für den Fachmann ohne Abweichung von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich sein. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um am besten die Prinzipien und die praktische Anwendung zu erläutern, und um anderen Fachleuten das Verständnis der einen oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen für den in Betracht gezogenen Einsatz geeigneten Modifikationen zu ermöglichen.
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Ein System enthält ein Kriechanzeigelement auf einer rotierenden Komponente und eine Messvorrichtung, die dafür eingerichtet ist, eine Änderung in der radialen Position des Kriechanzeigeelementes zu messen. Das System ermöglicht die Ermittlung der Lebensdauererwartung, beispielsweise einer rotierenden Komponente in einer Turbine ohne Freilegung der rotierenden Komponente.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 101
- Turbine
- 102
- Stator
- 104
- rotierende Komponente
- 110
- Kriechanzeigeelement
- 120
- Messvorrichtung
- 122
- Öffnung
- 114
- Oberfläche
- 116
- auskragendes Element
- 210
- Kriechanzeigeelement
- 216
- auskragendes Element
- 218
- Öffnung
- 220
- Hinterschnitt
- 310
- Kriechanzeigeelement
- 316
- stiftkopfförmiges Element
- 318
- Schaft
- 320
- abgeflachter Kopf
- 150
- Kriechkorrelationssystem
- 112
- Riss(e)
