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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenrissprüfung von Oberflächen von Laufschaufeln aufnehmenden Schaufelaufnahmenuten eines Rotors, wobei die Schaufelaufnahmenuten in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Rotors verteilt angeordnet sind und die in diesen aufgenommenen Laufschaufeln derart voneinander beabstandet sind, dass sich zwischen benachbart angeordneten Laufschaufeln jeweils ein von außen zugänglicher sichel- oder streifenförmiger Rotoroberflächenabschnitt erstreckt. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegte Ultraschalleinrichtung.
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Vor allem im Turbinenbereich unterliegen Bauteile hohen mechanischen, chemischen sowie thermischen Belastungen, womit Verschleiß und Zerstörung einhergehen können. Im Bereich der am Rotor ausgebildeten Schaufelaufnahmenuten, in denen die Laufschaufeln der Turbine gehalten sind, kommt es aufgrund der Beanspruchung beispielsweise zu Rissbildungen, welche die Lebensdauer des Rotors stark herabsetzen können.
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Vor diesem Hintergrund werden die Schaufelaufnahmenuten von Turbinenrotoren regelmäßig einer Oberflächenrissprüfung unterzogen. Die Oberflächenrissprüfung erfolgt zerstörungsfrei bei ausgebauten Laufschaufeln, beispielsweise mittels Farbeindringprüfung, Wirbelstrommesstechnik, Ultraschall oder dergleichen. So setzt die Anmelderin derzeit beispielsweise ein Oberflächenrissprüfungsverfahren ein, bei dem Risse und ihre Position unter Verwendung eines händisch durch die Schaufelaufnahmenuten bewegten Wirbelstrom-Detektionswerkzeugs datenmäßig erfasst werden. Zur Beseitigung detektierter Risse werden dann spanabhebende Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt.
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Ein Nachteil der bekannten Oberflächenrissprüfungsverfahren besteht darin, dass der Ausbau der Laufschaufeln, die anschließende Rissprüfung, die gegebenenfalls erforderliche Beseitigung von Rissen und der erneute Einbau der Laufschaufeln einen hohen Aufwand bedeuten und viel Zeit in Anspruch nehmen, was auch mit hohen Kosten einhergeht. Dies ist auch dann der Fall, wenn im Rahmen der Oberflächenrissprüfung keine relevanten Risse detektiert werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Oberflächenrissprüfung der Oberflächen von Laufschaufeln aufnehmenden Schaufelaufnahmenuten eines Rotors sowie eine alternative Ultraschalleinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur zerstörungsfreien Rissprüfung von Oberflächen von Laufschaufeln aufnehmenden Schaufelaufnahmenuten eines Rotors, wobei die Schaufelaufnahmenuten in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Rotors verteilt angeordnet sind und die in diesen aufgenommenen Laufschaufeln derart voneinander beabstandet sind, dass sich zwischen benachbart angeordneten Laufschaufeln jeweils ein von außen zugänglicher sichel- oder streifenförmiger Rotoroberflächenabschnitt erstreckt, umfassend die Schritte: a) Positionieren einer Führungsschiene an einem sich zwischen zwei Laufschaufeln erstreckenden Rotoroberflächenabschnitt derart, dass sich die Führungsschiene entlang zumindest einer zu überprüfenden Schaufelaufnahmenut erstreckt, und Befestigen der Führungsschiene; b) Positionieren eines Ultraschallprüfkopfes derart, dass dieser in Richtung zumindest einer zu prüfenden Schaufelaufnahmenut ausgerichtet und entlang einer durch die Form der Führungsschiene vorgegebenen Trajektorie geführt bewegbar ist; c) Bewegen des Ultraschallprüfkopfes entlang der Trajektorie im eingebauten Zustand der beiden benachbart angeordneten Laufschaufeln und zeitgleiches Prüfen der Oberfläche der zu prüfenden Schaufelaufnahmenut auf das Vorhandensein von Rissen unter Einsatz des Ultraschallprüfkopfes, wobei vorhandene Risse unter Verwendung des Ultraschallprüfkopfes datenmäßig erfasst werden; d) Speichern der erfassten Daten; e) Wiederholen der Schritte a) bis d) zur Prüfung der Oberflächen weiterer Schaufelaufnahmenuten auf das Vorhandensein von Rissen; und f) Befundung des Rotorzustands auf Basis der in Schritt d) gespeicherten Daten.
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Ein wesentlicher Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einhergeht, besteht darin, dass die Laufschaufeln zur Durchführung des Verfahrens nicht ausgebaut werden müssen. Entsprechend geht das Verfahren mit geringem Aufwand und niedrigen Kosten einher.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die die Trajektorie vorgebende Form der Führungsschiene im Vorfeld unter Einsatz einer Ultraschallsimulation ermittelt und die Führungsschiene basierend auf der ermittelten Form additiv gefertigt. Mit einer Ultraschallsimulation auf Basis von 3D-CAD-Daten des Rotors lässt sich die optimale Trajektorie für den Ultraschallprüfkopf und damit die optimale Form der Führungsschiene bestimmen, entlang welcher der Ultraschallprüfkopf bewegt werden muss, um alle relevanten Oberflächen einer Schaufelaufnahmenut prüfen zu können, an denen eine Rissbildung erfahrungsgemäß am ehesten zu erwarten ist. Die additive Fertigung der Führungsschiene basierend auf der ermittelten Form der Führungsschiene ermöglicht dann eine einfache, preiswerte und schnelle Fertigung der Führungsschiene.
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Die Führungsschiene kann in Schritt a) magnetisch und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig an dem Rotor und/oder an den Laufschaufeln befestigt werden. Eine magnetische und zumindest teilweise formschlüssige Befestigung wird bevorzugt, da keine mechanische Bearbeitung am Rotor oder an dessen Laufschaufeln erfolgen muss.
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Vorteilhaft handelt es sich bei dem Ultraschallprüfkopf um einen Phased Array Ultraschallprüfkopf. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass sich ganze Oberflächenbereiche ohne Sensorbewegung abtasten lassen. Der Einstrahlwinkel in das Werkstück ist in vorgegebenen Grenzen beliebig einstellbar, so dass sich die relevanten Oberflächen einer Schaufelaufnahmenut im Rahmen einer einzelnen Bewegung des Ultraschallprüfkopfes entlang der Trajektorie prüfen lassen.
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Bevorzugt werden in Schritt c) unter Einsatz des Ultraschallprüfkopfes Daten über die Formen und Abmessungen vorhandener Risse erfasst. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die sich anschließende Befundung, da der Einfluss vorhandener Risse auf die noch zu erwartende Lebensdauer des Rotors basierend auf der Rissgeometrie sehr gut abschätzbar ist. Entsprechend kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob eine sofortige Reparatur der erfassten Risse erforderlich ist oder nicht.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden in Schritt c) Daten über die jeweilige Lage der vorhandenen Risse erfasst und gespeichert, insbesondere basierend auf Ist-Positionen des Ultraschallprüfkopfes zum Zeitpunkt einer Rissdetektion. Zum einen kann die Lage eines Risses Einfluss auf seine Relevanz hinsichtlich der noch zu erwartenden Lebensdauer des Rotors haben. Zum anderen ist die Kenntnis über die Lage eines Risses für sich gegebenenfalls anschließende Reparaturarbeiten von Bedeutung.
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Vorteilhaft wird der Ultraschallprüfkopf in Schritt c) manuell entlang der Trajektorie bewegt, wodurch der Aufbau der Ultraschallprüfeinrichtung deutlich vereinfacht wird, da keine Antriebsmittel vorgesehen werden müssen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht die Oberflächen sämtlicher Schaufelaufnahmenuten geprüft, sondern es erfolgt nur eine stichprobenartige Prüfung der Oberflächen einiger Schaufelaufnahmenuten. Die Befundung des gesamten Rotors in Schritt f) erfolgt dann auf Grundlage von Erfahrungswerten. Alternativ kann natürlich auch eine vollumfängliche Prüfung sämtlicher Schaufelaufnahmenuten durchgeführt werden.
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Entsprechend wird die für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Zeitdauer verkürzt. Basierend auf dem im Rahmen vorangegangener Prüfungen gewonnenen Erfahrungsschatz kann dennoch eine sehr zuverlässige Befundung erfolgen.
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Auf Basis der Befundung des Rotors wird bevorzugt entschieden, ob eine mechanische Bearbeitung der erfassten Risse zum aktuellen Zeitpunkt erforderlich ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den Schaufelaufnahmenuten um tannenbaumförmige Schaufelaufnahmenuten.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Rotor um den Rotor einer Dampfturbine.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Ultraschalleinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist, umfassend eine Führungsschiene und einen entlang der Führungsschiene bewegbaren Ultraschallprüfkopf.
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Die Ultraschalleinrichtung weist bevorzugt ein die Führungsschiene definierendes Gehäuse und einen entlang der Führungsschiene geführt bewegbaren Ultraschallprüfkopfhalter auf, an dem der Ultraschallprüfkopf befestigt ist, insbesondere lösbar befestigt ist.
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Die Form des Gehäuses ist vorteilhaft an die Form der Rotoroberflächenabschnitte und/oder an die Form zumindest einer Laufschaufel derart angepasst, dass das Gehäuse flächig aufliegend auf einem Rotoroberflächenabschnitt und/oder formschlüssig anliegend an einer Laufschaufel positionierbar ist. Dank einer solchen Ausgestaltung kann das Gehäuse und damit die Führungsschiene exakt mit hoher Reproduzierbarkeit an einem Rotoroberflächenabschnitt positioniert werden.
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Bevorzugt ist an dem Ultraschallprüfkopfhalter eine Schubstange befestigt, die an ihrem freien Ende mit einem Griffstück versehen ist. Mit einer solchen Schubstange lässt sich der Ultraschallprüfkopfhalter zusammen mit dem daran gehaltenen Ultraschallprüfkopf einfach entlang der durch die Führungsschiene vorgegebenen Trajektorie bewegen, wobei das Griffstück eine bequeme Handhabung sicherstellt.
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Vorteilhaft ist an dem Gehäuse ein Encoder gehalten, der derart eingerichtet und positioniert ist, dass er die Ist-Position des Ultraschallprüfkopfhalters und damit die Ist-Position des Ultraschallprüfkopfes erfasst. Dank eines solchen Encoders können die Positionen vorhandener Risse erfasst werden, indem Rissdaten zum Zeitpunkt der Erfassung den jeweiligen Ist-Positionen des Ultraschallprüfkopfes zugeordnet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Ausführungsform einer zur Durchführung des Verfahrens eingesetzten Ultraschallprüfeinrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine perspektivische schematische Teilansicht eines beispielhaften Rotors;
- 2 ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 3 eine Ansicht analog zu 1, wobei an dem Rotor eine Ultraschalleinrichtung positioniert ist und zwei der drei Laufschaufeln aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, und
- 4 eine perspektivische Ansicht einer einzelnen am Rotor gehaltenen Laufschaufel.
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1 zeigt einen Teilbereich eines Rotors 1, bei dem es sich insbesondere um den Rotor einer Dampfturbine handelt. Der Rotor 1 umfasst eine Vielzahl von Schaufelaufnahmenuten 2, die identischen Abmessungen aufweisen und vorliegend tannenbaumförmig ausgebildet sind. Die Schaufelaufnahmenuten 2 sind in gleichmäßigen Abständen verteilt entlang des Umfangs des Rotors 1 angeordnet. In jede Schaufelaufnahmenut 2 ist der Schaufelfuß 3 einer Laufschaufel 4 eingeschoben, dessen Form zu diesem Zweck korrespondierend zu der Form der Schaufelaufnahmenut 2 ausgebildet ist. Die sich an die Schaufelfü-ße 3 anschließenden Schaufelblätter 5 der Laufschaufeln 4 stehen in bekannter Weise radial auswärts vor. Zwischen benachbart angeordneten Laufschaufeln 4 erstreckt sich jeweils ein von außen zugänglicher, vorliegend sichelförmig ausgebildeter Rotoroberflächenabschnitt 6.
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Während des Betriebs unterliegt der Rotor 1 hohen mechanischen, chemischen sowie thermischen Belastungen. Aufgrund dieser Belastungen sind an den Oberflächen 7 der Schaufelaufnahmenuten 2 regelmäßig Rissbildungen zu beobachten, welche die Lebensdauer des Rotors 1 stark herabsetzen können.
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Vor diesem Hintergrund werden die Schaufelaufnahmenuten 2 im Rahmen von Wartungsarbeiten regelmäßig einer Oberflächenrissprüfung unterzogen.
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2 zeigt schematisch die Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur zerstörungsfreien Rissprüfung solcher Oberflächen 7 der Schaufelaufnahmenuten 2 eines Rotors 1.
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In einem ersten Schritt S1 wird, wie es in 3 dargestellt ist, eine Ultraschalleinrichtung 8 an einem der sich zwischen zwei Laufschaufeln 4 erstreckenden Rotoroberflächenabschnitt 6 positioniert und befestigt.
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Die in 3 gezeigte Ultraschalleinrichtung 8 umfasst ein Gehäuse 9, dessen Form und Abmessungen derart an die Form und Abmessungen der Rotoroberflächenabschnitte 6 des Rotors 1 angepasst sind, dass sich das Gehäuse 9 zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 4 im Bereich eines Rotoroberflächenabschnitts 6 einsetzen lässt. Die Unterseite des Gehäuses 9 ist dabei derart ausgebildet, dass das Gehäuse 9 im montierten Zustand flächig auf dem Rotoroberflächenabschnitt 6 aufliegt. Eine erste Seitenfläche 11 des Gehäuses 9 ist an die Kontur des Schaufelblatts 5 einer benachbarten Laufschaufel 4 in einer Weise angepasst, dass diese Seitenfläche 11 formschlüssig an dem Schaufelblatt 5 anliegt und einen axialen Anschlag für die Ultraschalleinrichtung 8 bildet. An der gegenüberliegenden Seitenfläche 12 des Gehäuses 9 ist eine Führungsschiene 13 ausgebildet, in der ein Ultraschallprüfkopfhalter 14 in Richtung der Pfeile 15 vor und zurückbewegbar aufgenommen ist. An dem Ultraschallprüfkopfhalter 14 ist bevorzugt lösbar ein Ultraschallprüfkopf 16 derart positioniert, dass er im in 3 gezeigten Zustand in Richtung zumindest einer zu prüfenden Schaufelaufnahmenut 2 ausgerichtet ist. Der Ultraschallprüfkopf 16 ist vorliegend als Phased Array Ultraschallprüfkopf ausgebildet, wobei grundsätzlich auch andere Ultraschallprüfköpfe verwendet werden können. An dem Ultraschallprüfkopfhalter 14 ist eine Schubstange 17 gelenkig angebunden, die an ihrem freien Ende mit einem Griffstück 18 versehen ist. Ein weiteres Griffstück 19 ist fest an dem Gehäuse 9 positioniert und steht im Wesentlichen axial auswärts von diesem vor. An dem Gehäuse 9 ist ferner ein Encoder 20 gehalten, der derart eingerichtet und positioniert ist, dass er die Ist-Position des Ultraschallprüfkopfhalters 14 und damit die Ist-Position des Ultraschallprüfkopfes 16 erfasst. Hierzu kann der Encoder 20 beispielsweise als Seilencoder ausgeführt sein. Alternativ sind natürlich auch andere Encoder-Bauarten möglich. Zur Befestigung des Gehäuses 9 am Rotor 1 sind an der Unterseite des Gehäuses 9 vorliegend nicht näher dargestellte Magnete positioniert, beispielsweise mehrere Neodym-Magnete. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse 9, auch wenn dies vorliegend nicht der Fall ist, kraftschlüssig am Rotor 1 befestigt werden, beispielsweise unter Einsatz von Klemmbacken, die an axial einander gegenüberliegenden Seiten des Rotors 1 angreifen.
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Die durch die Führungsschiene 13 vorgegebene Trajektorie des Ultraschallprüfkopfes 16, die zur Prüfung gewünschter Oberflächen 7 einer Schaufelaufnahmenut 2 erforderlich ist, wurde im Vorfeld unter Einsatz einer Ultraschallsimulation am 3D-CAD-Modell des Rotors 1 ermittelt. Daraufhin wurde die Form des Gehäuse 9 und seiner Führungsschiene 13 auf Basis des 3D-CAD-Modells des Rotors 1 sowie der ermittelten Trajektorie berechnet und anschließend additiv gefertigt.
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Die Positionierung und Befestigung der Ultraschalleinrichtung 8 am Rotor 1 wird bei montierten Laufschaufeln 4 durchgeführt. Der Rotor 1 selbst muss hierzu grundsätzlich nicht aus der Turbine ausgebaut werden. Falls ein Ausbau des Rotors 1 zur Durchführung anderer Wartungsarbeiten erforderlich ist, wird das Verfahren bevorzugt am ausgebauten Rotor 1 durchgeführt. Zur Positionierung wird die Ultraschalleinrichtung 8 einfach im Bereich zwischen zwei Laufschaufeln 4 auf dem dazwischen liegenden Rotoroberflächenabschnitt 6 derart aufgesetzt, dass die erste Seitenfläche 11 des Gehäuses 9 am benachbarten Schaufelblatt 5 anliegt. Während der Positionierung kann die Ultraschalleinrichtung 8 am Griffstück 19 gehalten werden, was die Handhabung der Ultraschalleinrichtung 8 erleichtert. Die Befestigung der Ultraschalleinrichtung 8 erfolgt automatisch über die an der Unterseite 10 des Gehäuses 9 vorgesehenen Magnete. Mit der ordnungsgemäßen Positionierung des Gehäuses 9 wird zeitgleich automatisch der am Ultraschallprüfkopfhalter 14 gehaltene Ultraschallprüfkopf 16 zur zu prüfenden Schaufelfußaufnahmenut 2 bzw. zu den zu prüfenden Schaufelfußaufnahmenuten 2 ausgerichtet.
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In einem weiteren Schritt S2 wird der Ultraschallprüfkopfhalter 14 und damit der Ultraschallprüfkopf 16 nunmehr manuell entlang der durch die Führungsschiene 13 vorgegebenen Trajektorie im eingebauten Zustand der beiden benachbart angeordneten Laufschaufeln 4 bewegt. Die Bewegung erfolgt unter Einsatz der Schubstange 17, deren Griffstück 18 der Bediener mit einer Hand hält. Mit der anderen Hand kann der Bediener das andere Griffstück 19 greifen, um die Ultraschalleinrichtung 8 zu stabilisieren. Während der Bewegung des Ultraschallprüfkopfes 16 entlang seiner Trajektorie werden vorliegend die zueinander weisenden Oberflächenbereiche zweier benachbart angeordneter Schaufelaufnahmenuten 2 unter Einsatz des Ultraschallprüfkopfes 16 auf das Vorhandensein von Rissen geprüft, wie es in 4 durch die Pfeile 22 angedeutet ist, wobei vorhandene Risse datenmäßig erfasst und im Schritt 3 in einer Datenspeicher- und Analyseeinheit 21 gespeichert werden. Die Trajektorie 23 ist in 4 gestrichelt angedeutet.
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Im Anschluss werden die Schritte S1 bis S3 zur Prüfung von Oberflächen 7 weiterer Schaufelaufnahmenuten 2 auf das Vorhandensein von Rissen wiederholt. Bei dem vorliegenden Verfahren werden nicht die Oberflächen 7 sämtlicher Schaufelaufnahmenuten 2 geprüft. Vielmehr werden nur Oberflächen 7 einiger Schaufelaufnahmenuten 2 stichprobenartig geprüft. Die Anzahl der überprüften Oberflächen muss derart gewählt sein, dass ausreichend repräsentative Daten vorliegen, um in einem sich anschließenden Befundungsschritt S4 eine Aussage über den Rotorzustand auf Basis der gespeicherten Daten sowie auf Grundlage von Erfahrungswerten treffen werden können. Im Rahmen der Befundung wird entschieden, ob eine Reparatur der Risse zum aktuellen Zeitpunkt erforderlich ist. Alternativ kann auch eine vollumfängliche Prüfung sämtlicher Schaufelaufnahmenuten 2 durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses bei am Rotor 1 montierten Laufschaufeln 4 durchgeführt wird. Entsprechend müssen die Laufschaufeln 4 nicht demontiert und anschließend wieder montiert 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.
