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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von neuen Schaufelmaterialien und/oder von neuen Schaufelbeschichtungsmaterialien für Schaufeln einer Strömungsmaschine.
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Leitschaufeln und Laufschaufeln von Strömungsmaschinen, insbesondere von Gasturbinen, unterliegen während des Betriebs einer sehr hohen Materialbeanspruchung und einem entsprechend großen Verschleiß. Vor diesem Hintergrund ist man bestrebt, die Standzeiten der Schaufeln durch den Einsatz innovativer Schaufelmaterialien und/oder innovativer Schaufelbeschichtungsmaterialien zu verbessern. Vor ihrem Einsatz müssen neue Materialien allerdings umfangreichen Tests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass diese im realen Betrieb den prognostizierten Erwartungen gerecht werden und nicht frühzeitig versagen.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, neue Schaufelmaterialien und Schaufelbeschichtungsmaterialien unter Laborbedingungen zu testen. So können Proben der Materialien beispielsweise in Öfen auf die im realen Betrieb zu erwartenden Betriebstemperaturen erhitzt werden, um im Rahmen einer sich anschließenden Begutachtung die Materialeigenschaften der Proben nach erfolgter Temperaturbeaufschlagung zu bewerten. Ein Problem, das mit allen unter Laborbedingungen durchgeführten Testreihen einhergeht, besteht darin, dass die realen Betriebsbedingungen, denen die Schaufel einer Strömungsmaschine ausgesetzt ist, nur ansatzweise simuliert werden können. Darüber hinaus sind die Geometrien der Proben realitätsfremd. Entsprechend sind die mit solchen Laborversuchen erzielten Bewertungsresultate häufig nur wenig aussagekräftig.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, neue Schaufelmaterialien und/oder Schaufelbeschichtungsmaterialien sogenannten Rainbow-Tests zu unterziehen. Hierbei werden aus den zu testenden Materialien ganze Schaufeln gefertigt, die in eine bestehende Strömungsmaschine, in der die Materialien später eingesetzt werden sollen, montiert werden und dann über eine vorbestimmte Zeitdauer getestet werden. Rainbow-Tests sind zum einen dahingehend von Vorteil, dass sie unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt werden, weshalb eine sich anschließende Begutachtung der getesteten Materialien zu aussagekräftigen Bewertungsergebnissen führt. Zum anderen können zeitgleich verschiedene Materialien getestet werden, was die zur Durchführung der Tests erforderliche Vorlaufzeit verkürzt. So kann beispielsweise ein Korrosionstest mit einer unbeschichteten Schaufel und mehreren beschichteten Schaufeln durchgeführt werden, wobei die beschichteten Schaufeln unterschiedliche Antikorrosionsbeschichtungsmaterialien aufweisen können. Ein Nachteil der bekannten Rainbow-Tests besteht allerdings darin, dass jeweils ganze Schaufeln aus den neuen Materialien gefertigt und/oder mit den neuen Beschichtungsmaterialien versehen werden müssen, was mit einem großen Aufwand sowie hohen Kosten einhergeht und herstellungstechnische Probleme aufgrund der Einzelfertigung der Schaufeln aufwerfen kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem neue Schaufelmaterialien und/oder neue Schaufelbeschichtungsmaterialien mit geringem Aufwand, geringer Vorlaufzeit und bei geringen Kosten unter möglichst realistischen Bedingungen getestet werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Strömungsmaschine, insbesondere in Form einer Gasturbine; Bereitstellen wenigstens eines Testbauteils, das aus einem zu testenden Material hergestellt und/oder mit einer zu testenden Beschichtung versehen ist; Ausbilden wenigstens einer Aussparung in zumindest einer Schaufel der Strömungsmaschine, wobei die Abmessungen der wenigstens einen Aussparung entsprechend den Abmessungen des wenigstens einen Testbauteils gewählt sind; Einsetzen und Befestigen des wenigstens einen Testbauteils in der wenigstens einen Aussparung; Betreiben der Strömungsmaschine unter realen Betriebsbedingungen und Begutachtung des Testbauteils nach Ablauf zumindest einer vorbestimmten Zeitdauer.
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Im Gegensatz zu den bekannten Rainbow-Tests werden also erfindungsgemäß nicht ganze Schaufeln einer Strömungsmaschine durch Schaufeln aus neuem Schaufelmaterial und/oder durch mit neuen Schaufelbeschichtungsmaterialien beschichtete Schaufeln ersetzt, sondern in bestehende Schaufeln einer Strömungsmaschine werden lediglich aus einem zu testenden Material hergestellte und/oder mit einer zu testenden Beschichtung versehene Testbauteile eingesetzt, was unter Verwendung einer lösbaren Verbindung erfolgen kann. Nach Ablauf einer vorbestimmten Testzeitdauer können die Testbauteile dann analog zu den bekannten Rainbow-Tests einer Begutachtung unterzogen werden, um den Zustand der Testbauteile beurteilen zu können. Eine solche Begutachtung kann beispielsweise im Rahmen einer Laborauswertung erfolgen, bei der Merkmale wie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, Abplatzfestigkeit, Rissfestigkeit, Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit, Ermüdung bei hoher und geringer Lastspielzahl, Wärmeermüdung, Zähigkeit und dergleichen für die getesteten Schaufelmaterialien und/oder Schaufelbeschichtungsmaterialien ermittelt werden. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Fertigung der Testbauteile ebenso wie deren Einsetzen in die Schaufeln einer Strömungsmaschine mit geringen Kosten einhergeht. Darüber hinaus können zeitgleich wesentlich mehr Schaufelmaterialien und/oder Schaufelbeschichtungsmaterialien als bei herkömmlichen Rainbow-Tests getestet werden, da eine einzelne Schaufel mit mehreren Testbauteilen versehen werden kann, was mit geringen Entwicklungszeiten einhergeht. Das erfindungsgemäße Verfahren wird analog zu den bekannten Rainbow-Tests unter realen Betriebsbedingungen durchgeführt, so dass sehr verlässliche Ergebnisse erzielt werden.
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Bevorzugt sind die Abmessungen des wenigstens einen Testbauteils und die Abmessungen der wenigstens einen Aussparung derart gewählt, dass die Oberfläche des Testbauteils im bestimmungsgemäß eingesetzten und befestigten Zustand bündig mit der umgebenden Oberfläche der Schaufel abschließt. Entsprechend wird das Testbauteil in die Kontur der Schaufel integriert, so dass das Testbauteil den realen lokalen Oberflächenbedingungen der Schaufel an der entsprechenden Position ausgesetzt ist.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung ist das wenigstens eine Bauteil stiftartig ausgebildet, so dass sich dieses einfach herstellen und in eine als Bohrung ausgebildete Aussparung einsetzen lässt.
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Bevorzugt wird die wenigstens eine Aussparung an einer Schaufelplattform und/oder an einem Schaufelblatt der zumindest einen Schaufel ausgebildet.
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Grundsätzlich wird die wenigstens eine Aussparung vorteilhaft an einer unkritischen Position ausgebildet, an der bei frühzeitigem Verschleiß des Testbauteils kein Versagen der Strömungsmaschine zu befürchten ist. Entsprechend wird der ordnungsgemäße Betrieb der Strömungsmaschine selbst bei frühzeitigem Verschleiß eines Testbauteils nicht gefährdet.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der zumindest einen Schaufel um eine Leitschaufel. Der Einbau von Testbauteilen an Leitschaufeln ist dahingehend von Vorteil, dass Leitschaufeln während des Betriebs der Strömungsmaschine normalerweise extremeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind als die rotierenden Laufschaufeln, insbesondere höheren Temperaturen. Stellt sich ein neues Schaufelmaterial und/oder ein neues Schaufelbeschichtungsmaterial als geeignet für eine Leitschaufel heraus, so ist davon auszugehen, dass dieses auch für Laufschaufeln verwendet werden kann.
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Bevorzugt wird im Bereich der wenigstens einen Aussparung während des Betreibens der Strömungsmaschine die Temperatur erfasst, was beispielsweise über einen entsprechend angeordneten Temperatursensor erfolgen kann. Durch Aufzeichnung des Temperaturverlaufs können die Temperaturen, denen das Testbauteil während des Betriebs der Strömungsmaschine und somit während der Testdauer ausgesetzt war, eindeutig nachvollzogen werden, so dass sich bessere Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften des neuen Schaufelmaterials bzw. Schaufelbeschichtungsmaterials ziehen lassen.
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Vorteilhaft wird während des Betreibens der Strömungsmaschine die Drehzahl des Läufers der Strömungsmaschine erfasst. Auch hierdurch lassen sich die Betriebsbedingungen im Rahmen der Begutachtung besser nachvollziehen.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung werden eine Vielzahl von baugleichen oder unterschiedlichen Testbauteilen in Aussparungen eingesetzt und befestigt, die in einer oder in mehreren Schaufeln der Strömungsmaschine ausgebildet sind, wobei die Positionen der Aussparungen der jeweiligen Schaufeln einander entsprechen oder verschieden sein können. Mit anderen Worten kann durch Variation der Testbauteile und/oder durch Variation der Schaufeln und/oder durch Variation der Positionen der Aussparungen an den jeweiligen Schaufeln eine sehr große Bandbreite von Einzel- und Vergleichstests analog zu herkömmlichen Rainbow-Tests durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Variante sind Testbauteile mit Beschichtungen aus zu testenden Beschichtungsmaterialien unterschiedlicher Beschichtungsdicke versehen. Auf diese Weise kann analysiert werden, welche Beschichtungsdicke sich als geeignet erweist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
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1 eine schematische Draufsicht einer Schaufel einer Strömungsmaschine und
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2 eine schematische Seitenquerschnittansicht entlang der Linie II-II in 1.
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Die Figuren zeigen eine Schaufel 1 einer nicht näher dargestellten Strömungsmaschine, bei der es sich beispielsweise um eine Gasturbine handelt. Die Schaufel 1 umfasst ein Schaufelblatt 2 mit Vorderkante 3 und Hinterkante 4, eine Schaufelplattform 5 sowie einen Schaufelfuß 6.
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Zum Testen neuer Schaufelmaterialien und/oder von neuen Schaufelbeschichtungsmaterialien für die Schaufel 1 sind erfindungsgemäß stiftartig ausgebildete Testbauteile 7, 8 und 9 vorgesehen, die aus einem zu testenden Schaufelmaterial hergestellt und/oder mit einer Beschichtung aus einem zu testenden Beschichtungsmaterial versehen sind. Vorliegend sind alle drei Testbauteile 7, 8 und 9 aus demselben Schaufelmaterial hergestellt, aus dem auch die Schaufel 1 hergestellt ist. Die Testbauteile 7, 8 und 9 unterscheiden sich allerdings dahingehend, dass sie an ihrem freien Ende mit unterschiedlichen zu testenden neuen Schaufelbeschichtungsmaterialien 10, 11 und 12 versehen sind, die eine einheitliche erste Schichtdicke aufweisen. Bei den Schaufelbeschichtungsmaterialien 10, 11 und 12 kann es sich beispielsweise jeweils um Wärmedämmschichten handeln, welche die Korrosionsbeständigkeit der Schaufel 1 verbessern sollen. Die Testbauteile 7, 8 und 9 sind jeweils in zugeordnete Aussparungen 13, 14 und 15 eingesetzt, die sich vorliegend in Form von Bohrlöchern durch die Schaufelplattform 5 erstrecken. Die Abmessungen der Testbauteile 7, 8 und 9 und die Abmessungen der Aussparungen 13, 14 und 15 sind dabei derart gewählt, dass die mit den Schaufelbeschichtungsmaterialien 10, 11 und 12 versehenen Oberflächen der Testbauteile 7, 8 und 9 im eingesetzten Zustand bündig mit der umgebenden Oberfläche der Schaufelplattform 5 abschließen, wie es in 2 dargestellt ist. Für die Aussparungen 13, 14 und 15 sind die Position an der Schaufelplattform 5 dahingehend unkritisch gewählt, dass bei frühzeitigem Verschleiß der Testbauteile 7, 8 und 9 kein Versagen der Strömungsmaschine zu befürchten ist. Die Befestigung der Testbauteile 7, 8 und 9 in den zugehörigen Aussparungen 13, 14 und 15 erfolgt bevorzugt lösbar, beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Passung.
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Analog zu der in den 1 und 2 dargestellten Schaufel werden auch weitere Schaufeln der Strömungsmaschine mit Testbauteilen versehen werden. Hierbei können die Positionen der Aussparungen analog zu den in den 1 und 2 dargestellten Positionen gewählt werden. Die an den weiteren Schaufeln befestigten Testbauteile können sich beispielsweise dahingehend von den Testbauteilen 7, 8 und 9 unterscheiden, dass die Schichtdicke der Schaufelbeschichtungsmaterialien 10, 11 und 12 bei jeder Schaufel verschieden gewählt ist. In diesem Fall werden demnach verschiedene Schaufelbeschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen Schichtdicken getestet, um als Ergebnis ein geeignetes Schaufelbeschichtungsmaterial einerseits und eine geeignete Schichtdicke andererseits zu erhalten.
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Alternativ ist es natürlich auch möglich, die Positionen der Aussparungen an den Schaufeln zu variieren. Eine Variation kann sowohl im Bereich der Schaufelplattform 5 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können Aussparungen mit darin eingesetzten Testbauteilen aber auch am Schaufelblatt 2 und/oder am Schaufelfuß 6 vorgesehen werden, sollte dies die zu testenden Randbedingungen besser widerspiegeln. Ferner können sich die Positionen der Aussparungen einer Schaufel auch von den Positionen der Aussparungen anderer Schaufeln unterscheiden. Darüber hinaus kann natürlich auch das Material, aus dem die Testbauteile hergestellt sind, variiert werden. So können die Testbauteile sowohl aus neuen zu testenden Schaufelmaterialien gefertigt sein als auch mit anderen Schaufelbeschichtungsmaterialien beschichtet sein. Ebenso ist es natürlich möglich, die Testbauteile mit Schaufelbeschichtungsmaterialien einer einheitlichen Schichtdicke zu versehen. Mit anderen Worten können durch Variation der Testbauteile und/oder durch Variation der Schaufeln und/oder durch Variation der Position der Aussparungen an den jeweiligen Schaufeln gezielt Test-Randbedingungen eingestellt werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Testen von neuen Schaufelmaterialien und/oder von neuen Schaufelbeschichtungsmaterialien für die Schaufeln der Strömungsmaschine wird die Strömungsmaschine mit eingebauten Schaufeln und den an diesen angeordneten Testbauteilen unter realen Betriebsbedingungen für eine vorbestimmte Zeitdauer betrieben. Während dieser Zeitdauer wird der Temperaturverlauf der Temperaturen im Bereich der Aussparungen 13, 14 und 15 und der in den anderen Schaufeln vorgesehenen Aussparungen unter Verwendung geeigneter Temperatursensoren erfasst. Ferner wird während des Betreibens der Strömungsmaschine die Drehzahl des Läufers erfasst und aufgezeichnet.
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Nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer werden die Testbauteile 7, 8 und 9 sowie alle anderen in die Schaufeln der Strömungsmaschine eingesetzten Testbauteile begutachtet, um den Zustand der Testbauteile beurteilen zu können. Eine solche Begutachtung kann beispielsweise im Rahmen einer Laborauswertung erfolgen, bei der Merkmale wie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, Abplatzfestigkeit, Rissfestigkeit, Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit, Ermüdung bei hoher und geringer Lastspielzahl, Wärmeermüdung, Zähigkeit und dergleichen für die getesteten Schaufelmaterialien und/oder Schaufelbeschichtungsmaterialien ermittelt werden.
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Grundsätzlich werden die Aussparungen bevorzugt in Leitschaufeln ausgebildet. Dies ist zum einen dahingehend von Vorteil, dass Leitschaufeln während des Betriebs der Strömungsmaschine höheren Temperaturen und somit extremeren Randbedingungen ausgesetzt sind. Entsprechend lassen sich positive Testergebnisse problemlos auf die Einsatzfähigkeit der getesteten Materialien bei geringer beanspruchten Laufschaufeln der Strömungsmaschine übertragen. Zum anderen lassen sich die Temperatursensoren oder Temperaturmessfühler einfacher im Bereich der während des Betriebs der Strömungsmaschine ortsfesten Leitschaufeln installieren.
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Fertigung der Testbauteile ebenso wie deren Befestigung an den Schaufeln einer Strömungsmaschine mit geringen Kosten einhergeht. Darüber hinaus können zeitgleich sehr viele Schaufelmaterialien und/oder Schaufelbeschichtungsmaterialien getestet werden, da eine einzelne Schaufel mit mehreren Testbauteilen versehen werden kann, was mit geringen Entwicklungszeiten einhergeht. Das erfindungsgemäße Verfahren wird analog zu den bekannten Rainbow-Tests unter realen Betriebsbedingungen durchgeführt, so dass sehr verlässliche Ergebnisse erzielt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
