DE102018213475A1

DE102018213475A1 - Automatisierte Klangprobe an mehrkomponentigen Bauteilen mittels Mustererkennung

Info

Publication number: DE102018213475A1
Application number: DE102018213475.8A
Authority: DE
Inventors: Ingo Balkowski; Ralf Bell; Uwe Pfeifer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-02-13
Also published as: US20210262988A1; EP3807612A1; WO2020030364A1

Abstract

Durch eine automatisierte Durchführung der Klangprobe an Schaufelverbänden, bei dem Frequenzbilder von neuen und gebrauchten Bauteilen miteinander verglichen werden, ist eine schnelle und einfache Klassifizierung über den Zustand des Bauteils möglich.

Description

Die Erfindung betrifft die automatisierte Durchführung von Klangproben an mehrkomponentigen Bauteilen, wie Schaufelverbänden, bei dem Muster erkannt werden.
In Dampfturbinen und auch in Kompressoren sowie in Gasturbinen sind einzelne Schaufelreihen mittels Schaufelfuß und Deckband verbunden. Dadurch entsteht ein fester Verband, der gegen Schwingungsanregung aus dem Strömungsmedium unempfindlich ist. Im Laufe des Betriebs kann sich der Verband lockern, wodurch Schaufelschäden, Schäden an angrenzenden Komponenten und Leistungsverluste entstehen können. Derzeit werden die einzelnen Komponenten demontiert, um den Schaufelverband zu inspizieren. Die Begutachtung findet mittels Hammerschlag auf den Verband und subjektiver Bewertung mittels Klangbild statt. Das Klangbild resultiert aus der akustischen Verarbeitung durch das menschliche Gehör.
Problematisch ist die subjektive, potenziell fehlerbehaftete Begutachtung zum einen und zum anderen die zeitraubende Demontage der Komponente.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können um weitere Vorteile zu erzielen.

1, 2 und 3 zeigen Muster der Messungen mittels der Klangprobe,
4 eine Komponente, mit der eine Klangprobe durchgeführt wird und eine Messanordnung zur Durchführung der Klangprobe.

Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Im Wesentlichen geht es darum, das Klangbild eines Neubauteils oder einer technisch freigegebenen Komponente, insbesondere einer Schaufelreihe einer Mustererkennung zuzuführen. Dazu muss zunächst das Klangbild einer Schaufelreihe zugeordnet werden. Bei direkter Anregung der Schaufelreihe z.B. mittels Hammerschlag kann der genaue Luftschall und die damit bestimmten relevanten Frequenzbilder direkt der Schaufelreihe zugeordnet werden. Bei Anregung einer beschaufelten Welle oder eines beschaufelten Gehäuses an einem beliebigen Punkt, insbesondere mittels Hammerschlag, und Messung des Körperschalls an einer anderen beliebigen Stelle, ist die Zuordnung der gemessenen Signale zu einer Schaufelreihe problematisch. Dieses Problem kann jedoch durch Einzelmessung bei der Neufertigung gelöst werden. Die Frequenzbilder des Neuzustandes werden in einer Datenbank abgelegt und gelten als sogenannte Blueprints. Diese Blueprints werden einer Mustererkennung zugeführt und als „gesunde“ Schaufelreihe zugeordnet. Alternativ können die Frequenzbilder neuer Komponenten auch numerisch mittels Finite-Elemente Verfahren errechnet werden.
Ebenso können markante Charakteristika des Klangbildes wie die zeitliche Veränderung der Frequenzen, der Frequenzverlauf und das Abklingverhalten bestimmt werden. Andere Charakteristika der akustischen Auswertemethoden können ebenso verwendet werden.
Bei der Messung des Luftschalls einer gebrauchten Komponente werden die Signale entsprechend ausgewertet und der Mustererkennung zugeführt.
In 1 ist ein Frequenzbild 1 eines Bauteils 100 (4) im Neuzustand oder vor dem ersten Einsatz gezeigt. Aufgetragen ist die Intensität I und gegenüber der Frequenz f.
Erkennbar sind verschiedene, nicht unbedingt diskrete Frequenzen mit verschiedener Intensität, die typisch sind für ein Neubauteil. Dies ist nur ein Beispiel für ein Akustikparameter.
In 2 ist ein Frequenzbild 2 eines Bauteils 100 nach Gebrauch gemäß 1 zu sehen. Sowohl die Intensität I als auch die Lage der Frequenzen f haben sich zumindest teilweise verändert bzw. verschoben.
Ebenso sieht es aus für das Abklingverhalten der Intensität I über die Zeit t, wobei in 3 ein Abklingverhalten 4 für neue Bauteile dargestellt ist und die Kurve 7, hier gestrichelt, das Abklingverhalten eines gebrauchten Bauteils darstellt. Da Abklingverhalten 4, 7 ist nur ein Beispiel für ein Akustikparameter.
Dies macht deutlich, dass Unterschiede gegeben sind, die ausgewertet werden können.
Die Mustererkennung erkennt dabei die Abweichung zum Sollzustand und ordnet die Schaufelreihen als Bauteil einer weiteren Klassifizierung wie „akzeptabel“ oder „auszutauschen“ zu. Diese Klassifizierungen werden zuvor anhand Voruntersuchungen und vorhandener Messungen festgelegt.
Die 1, 2, 3 stellen beispielhafte Muster dar, die aus den Aufnahmen des Luftschalls erstellt werden.
Zur Durchführung der Mustererkennung werden u.a. Methoden der Künstlichen Intelligenz angewandt.
Die 4 zeigt einen Ausschnitt eines Schaufelverbandes 10. Der Schaufelverband 100 umfasst mehrere in Umfangsrichtung 200 auf einem Rotor 300 angeordnete als Turbinenlaufschaufeln ausgebildete Schaufeln 11', 11", 11"'. Der Übersichtlichkeit wegen sind lediglich drei Turbinenlaufschaufeln mit dem Bezugszeichen 11', 11", 11'" versehen. Die Turbinenlaufschaufeln umfassen im Wesentlichen ein Laufschaufelblatt 500, das zwischen einer Deckplatte 14 und einem nicht näher dargestellten Schaufelfuß ausgebildet ist. Das Laufschaufelblatt 500 ist dabei derart ausgebildet, dass eine Strömung in Richtung der Rotationsachse 700 mit einer thermischen Energie derart umgelenkt wird, dass die thermische Energie in Rotationsenergie des Rotors 300 umgewandelt wird. Dazu wird das Laufschaufelblatt 500 profiliert. Die Deckplatten 14', 14", 14"', sind in Umfangsrichtung 200 hintereinander angeordnet.
Die Deckplatten 14', 14", 14"', ... sind hierbei als Z-Platten ausgebildet. Der nicht näher dargestellte Schaufelfuß ist als Hammerfuß ausgebildet. Die Deckplatten 14', 14", 14"', ... sind hierbei derart auf dem Rotor 300 angeordnet, dass eine Deckplatte 14', 14", 14"', ... eine Kraft auf eine benachbarte Deckplatte 14', 14", 14"', ... ausübt. Die Deckplatten 14', 14", 14"', ...sind dadurch gegeneinander vorgespannt.
Im Betrieb rotiert der Rotor 300 um die Rotationsachse 700 mit einer Frequenz zwischen 25Hz und 60Hz. Es sind auch größere Frequenzen möglich. Bei diesen Frequenzen erfolgt eine Fliehkraft, die die Laufschaufel 11', 11", 11"', ... dazu führt, in radialer Richtung 800 sich zu bewegen, was durch den Schaufelfuß, der in einer Nut im Rotor 300 festgehalten ist, verhindert wird. Die radiale Richtung 800 zeigt hierbei von der Rotationsachse 700 im Wesentlichen entlang der Längsausbildung einer Laufschaufel 11', 11", 11"', .... Während des Betriebs, d. h. während eine Fliehkraft infolge der Rotationsfrequenz entsteht, erfolgt eine Entwindung der Laufschaufel 11', 11", 11"', ..., was dazu führt, dass die Vorspannung verstärkt wird. Die Entwindung erfolgt hierbei in einer geeigneten Richtung, die gegenüber der radialen Richtung 800 als Drehachse ausgeführt ist.
In 4 ist ebenso die Durchführung der Klangprobe dargestellt mittels einer mechanischen Erregung, z. B. eines Hammers 17, die manuell oder durch einen Impulsgeber kontrolliert und direkt durchgeführt werden kann.
Das Bauteil 100 ist ein Schaufelverbund, wobei hier ein Deckband 14', 14", 14"', ... einer Turbinenschaufel 11', 11", 11"', ... angeregt wird, also vorzugsweise nur eine Komponente des mehrkomponentigen Bauteils (100). Dadurch werden Körperschwingungen innerhalb der eingebauten Komponente erzeugt, wodurch mittelbar außerhalb der Komponente in der Luft auch Luftschallschwingungen erzeugt werden, die mittels eines Mikrofons 20, das nicht in Kontakt mit der Komponente 14 steht, erfasst werden und aufgenommen werden.
Das Mikrofon 20 ist kommerziell erhältlich und wandelt die gemessenen Schallschwingungen direkt in elektronische Daten um.
Die elektronischen Daten werden mit einem Kabel 23 oder sonstiger Übertragungsart an ein Handy oder mobiles elektronisches Gerät 26 übertragen, das ein Programm oder eine App aufweist, mittels der die elektronischen Daten erfasst und analysiert werden können und an einen Servicetechniker direkt eine Empfehlung und Aussage ausgeben können.
Die Vorteile sind:

a) eindeutige Zuordnung von defekten Bauteilen, auch mehrkomponentig, mittels objektiver Methode.
b) Vermeidung der Demontage des Bauteils, was eine Kosten- und Zeitersparnis bedeutet und zur Verfügbarkeitsverbesserung führt.

Claims

Verfahren zur Durchführung einer Klangprobe an einem mehrkomponentigen Bauteil (100), insbesondere eines Schaufelverbunds (100), bei dem vorab entweder durch direkte mechanische Anregung eines mehrkomponentigen Bauteils (100) im Ausgangszustand, insbesondere eines neuen mehrkomponentigen Bauteils (100), - mittels eines Mikrofons (20) der so erzeugte Luftschall gemessen wird, - und relevante Akustikparameter des Luftschalls, insbesondere Frequenzbilder (1) und/oder Frequenzverläufe (1) und/oder Abklingverhalten (4) oder andere akustische Charakteristika bestimmt werden, oder die relevanten Akustikparameter wie Frequenzbilder (1) und/oder, Frequenzverläufe und/oder Abklingverhalten (4) numerisch berechnet werden, - wobei diese in einer Datenbank hinterlegt werden oder wurden und - Durchführung einer Anregung (17), insbesondere einer mechanischen Anregung (17), eines Bauteils (100) nach Gebrauch zur Erzeugung von Körperschwingungen in dem Bauteil und dem daraus resultierenden Luftschall, - Messung des Luftschalls mittels eines beabstandeten Mikrofons (20), - Bestimmung der relevanten Akustikparameter, insbesondere Frequenzbilder (2) und/oder Frequenzverläufe (2) und/oder Abklingverhalten (7), - wobei diese mit dem Frequenzbild (1) und/oder Frequenzverläufen und/oder Abklingverhalten (4) des Bauteils (100) im Ausgangszustand, welches in der Datenbank hinterlegt ist, verglichen wird und Abweichungen detektiert und insbesondere auch bewertet werden.
Vorrichtung (30) für eine Klangprobe an einem Bauteil (100), insbesondere eines Schaufelverbundes (100), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die Mittel, insbesondere ein Mikrofon (20), zur Aufnahme von Akustikparametern wie Frequenzbilder (1, 2) und/oder Frequenzverläufen (1, 2) und/oder Abklingverhalten (4, 7) aufweist, die einem Bauteil (100) im Ausgangszustand zuordnungsbar sind, oder die relevanten Akustikparameter, insbesondere Frequenzbilder und/oder Frequenzverläufe und/oder Akustikverhalten nummerisch berechnet werden, eine Datenbank, in der diese Daten (1, 4, 7) abspeicherbar sind, und bei dem eine Anregung, insbesondere mechanische Anregung (17), an demselben Bauteil (100) nach Gebrauch durchführbar ist, und ebenfalls Akustikparameter, insbesondere Frequenzbilder (2) und/oder Frequenzverläufen und/oder Abklingverhalten (7) aufnehmbar sind, wobei diese ebenfalls gespeichert werden und mit den vorhandenen Akustikparametern, insbesondere Frequenzbildern (1) und/oder Frequenzverläufe (4) des neuen Bauteils verglichen werden können.
Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aufnahmen des Luftschalls von dem Mikrofon (20) in Akustikparameter zur Bewertung umgewandelt werden oder werden können.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder zwei der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem zur Durchführung der Mustererkennung Methoden der künstlichen Intelligenz angewandt werden oder werden können.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem Abweichungen klassifiziert werden oder werden können, insbesondere zwischen akzeptabel und auszutauschen.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Bauteil (100) einen eingebauten Turbinenschaufelverband aus Turbinenschaufeln (11', 11", ...) mit Deckbändern (14', 14'', 14"', ...) darstellt, wobei nur eine Komponente (11', 11", 11"', ...) des mehrkomponentigen Bauteils erregt wird.
Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem ein Deckband (14', 14", ...), insbesondere ein Deckband (14', 14", ...), eines Turbinenschaufelverbands (100) mechanisch (17) angeregt wird oder werden kann.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem ein Mikrofon (20) die Luftschallschwingungen aufnimmt oder aufnehmen kann und insbesondere elektronisch umwandelt oder umwandeln kann und zur Bewertung mittels eines Kabels (23) oder kabelloser Übertragung an ein mobiles Gerät (26) übermittelt oder übermitteln kann, welches die Aufnahmen des Mikrofons (20) in elektronischer Form analysiert oder analysieren kann.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend ein mobiles Gerät (26), das elektronisch mit dem Mikrofon (20) verbunden oder gekoppelt werden kann.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 6, 7, 8 oder 9, bei dem das Mikrofon (20) die Luftschallmessungen in eine elektronische Form umwandelt oder umwandeln kann.