DE10238862B4

DE10238862B4 - Messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken sowie Verfahren zur messtechnischen Instrumentierung von Werkstücken

Info

Publication number: DE10238862B4
Application number: DE10238862A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ecker; Gerhard Heider; Ernst Feitzelmayer; Josef Wenzl
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2002-08-24
Filing date: 2002-08-24
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-08-25
Also published as: GB0319712D0; US20050098714A1; DE10238862A1; GB2393249B; GB2393249A

Abstract

Messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken, mit mindestens einer dem Werkstück zugeordneten, als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildeten optischen Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede optische Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) in eine Oberfläche eines Bauteils einer Gasturbine (10) integriert ist, wobei in die Oberfläche Ausnehmungen eingebracht sind, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser der optischen Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) angepasst sind und in den Ausnehmungen eine optische Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken sowie ein Verfahren zur messtechnischen Instrumentierung von Werkstücken.

Aus der Messtechnik sind faseroptische Bragg-Gitter-Sensoren bekannt. Durch eine strukturierte Belichtung einer optischen Faser – auch Lichtwellenleiter genannt – mit UV-Licht, entsteht an frei wählbaren Stellen in einem Kern der optischen Faser eine permanente Brechzahlerhöhung entlang der Faserachse. Die sich daraus ergebende Modulation der Brechzahl der optischen Faser ist in ihrer Periodenlänge, Amplitude und Gesamtlänge variabel. Diese Struktur wird als Bragg-Gitter bezeichnet und ist messtechnisch nutzbar. Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Bragg-Gitter-Sensoren fassen sich als Dehnungssensoren und/oder Temperatursensoren verwenden.

EP 0 640 824 A1 offenbart eine messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken mit mindestens einer einem Werkstück zugeordneten optischen Faser, wobei die Fasern auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht werden.

Bei den in EP 0 679 880 A2 und US 3,910,105 offenbarten Monitoringsystemen werden die optischen Fasern bei der Herstellung des zu überwachenden Werkstücks in das Werkstück selbst eingelagert.

Bei GB 2 136 119 A werden die optischen Fasern vor der Messung zur Fixierung derart in einen Hilfskörper integriert, dass die optischen Fasern bei der Messung durch Aufbringen des Hilfskörpers auf der Oberfläche des zu überwachenden Werkstücks aufgebracht sind.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken sowie ein Verfahren zur messtechnischen Instrumentierung von Werkstücken schaffen, bei dem die Einkopplung der zu messenden Größen aus dem Werkstück unter Minimierung des Instrumentierungsaufwandes verbessert werden kann.

Dieses Problem wird durch eine messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur messtechnischen Instrumentierung von Werkstücken ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9 gekennzeichnet.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildeten optischen Fasern lässt sich der Instrumentierungsaufwand am Bauteil erheblich reduzieren. Instrumentierungseinflüsse, die das Verhalten des Bauteils beim Test oder bei der Erprobung beinträchtigen können, werden ebenfalls reduziert. Auch lässt sich bei Verwendung der als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildeten optischen Fasern die Anzahl der Messstellen erhöhen, wodurch Testergebnisse noch aussagekräftiger werden.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind auf einer Oberfläche des Werkstücks mehrere als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildete optische Fasern in unterschiedlicher geometrischer Konfiguration, nämlich mit unterschiedlichen Krümmungen, angeordnet. Hierdurch lässt sich mit besonders einfachen Mitteln eine optimierte Platzierung der Messstellen bewerkstelligen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1: eine schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen messtechnischen Anordnung zur Prüfung von Werkstücken.
1 zeigt stark schematisiert ein messtechnisch instrumentiertes Werkstück 10, wobei es sich bei dem Werkstück 10 um eine Schaufel einer Turbine handelt. Bei dem Werkstück 10 kann es sich jedoch auch um andere Bauteile einer Turbine handeln, so zum Beispiel um ein Gehäuseteil oder dergleichen.
Gemäß 1 sind in die Oberfläche des Werkstücks 10 mehrere als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildete optische Fasern 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 integriert.
Zwei erste optische Fasern 11, 18, die beide als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildet sind, sind krümmungsfrei in Form einer Geraden auf der Oberfläche des Werkstücks 10 positioniert. Gemäß 1 sind diese optischen Fasern 11, 18 einem äußeren Randbereich des Werkstücks 10, nämlich der Turbinenschaufel, zugeordnet. Benachbart zu diesen beiden ersten optischen Fasern 11, 18 ist jeweils eine zweite optische Faser 12, 17 positioniert. Die beiden zweiten optischen Fasern 12, 17 sind gemäß 1 derart in die Oberfläche des Werkstücks 10 integriert, dass dieselben einen abgewinkelten Verlauf aufweisen, wobei ein erster Abschnitt dieser Fasern 12, 17 in etwa parallel zu den ersten optischen Fasern 11, 18 verläuft und ein zweiter Abschnitt derselben gegenüber diesem ersten Abschnitt abgewinkelt ausgebildet ist. Zwischen den beiden zweiten optischen Fasern 12, 17 sind insgesamt vier dritte als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildete optische Fasern 13, 14, 15 und 16 in die Oberfläche des Werkstücks 10 integriert. Den dritten optischen Fasern 13, 14, 15 und 16 ist gemeinsam, dass dieselben jeweils einen Krümmungsabschnitt aufweisen, in welchem die optische Faser 13, 14, 15 und 16 um in etwa 180° abgewinkelt ist. Im Bereich des Krümmungsabschnitts verlaufen demnach benachbarte Abschnitte einer optischen Faser 13, 14, 15 und 16 in etwa parallel zueinander. Wie 1 entnommen werden kann, unterscheiden sich die Krümmungsabschnitte der dritten optischen Fasern 13, 14, 15 und 16 hinsichtlich ihrer Krümmungsradien. Die optische Faser 13 verfügt über einen Krümmungsabschnitt 19, wobei der Krümmungsradius des Krümmungsabschnitts 19 einer Maßeinheit entspricht. Ein Krümmungsradius des Krümmungsabschnitts 20 der optischen Faser 16 entspricht zwei Maßeinheiten. Dementsprechend verfügt ein Krümmungsabschnitt 21 der optischen Faser 14 über einen Krümmungsradius von drei Maßeinheiten und ein Krümmungsabschnitt 22 der optischen Faser 15 über einen Krümmungsradius von fünf Maßeinheiten. Je größer der Krümmungsradius der Krümmungsabschnitte ist, desto weiter sind die im Bereich der Krümmungsabschnitte in etwa parallel zueinander verlaufenden Abschnitte der optischen Fasern 13, 14, 15 und 16 voneinander beabstandet. Wie 1 weiterhin entnommen werden kann, verfügen zwei der dritten optischen Fasern 21, 22 zusätzlich zu dem Krümmungsabschnitt von in etwa 180° über einen zusätzlichen Krümmungsabschnitt von in etwa 90°.
In die Oberfläche des Werkstücks 10 sind demnach mehrere als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildete optische Fasern 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 in unterschiedlicher geometrischer Konfiguration sowie mit unterschiedlichen Krümmungen integriert. Auf diese Art und Weise lassen sich die als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 so auf dem Werkstück 10 anordnen, dass mit besonders einfachen konstruktiven Mitteln eine Vielzahl von unterschiedlichen Messstellen realisiert werden kann.
In die Oberfläche des Werkstücks 10 sind Ausnehmungen eingebracht, die vorzugsweise über eine Breite von 0,2 bis 0,25 mm und einer Tiefe von 0,3 mm verfügen. Die Ausnehmungen sind demnach hinsichtlich ihrer Breite und Tiefe an den Durchmesser der als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 angepasst.
Durch die Integration der als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern in die Oberfläche des Werkstücks 10 lassen sich Instrumentierungseinflüsse auf das Werkstück auf ein Minimum reduzieren.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen messtechnischen Anordnung an dynamisch belasteten Bauteilen, wie zum Beispiel an Turbinenschaufeln. Es lassen sich Schwingungen und Temperaturen mit den als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern messen. Die Beeinflussung des Bauteils infolge der Instrumentierung bzw. der Anordnung der als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern ist minimal. Im Sinne der Erfindung wird eine neue Messtechnik in die Entwicklung und Erprobung von Turbinen eingeführt. Ein derartiger messtechnischer Aufbau ist besonders robust und verfügt über eine lange Lebensdauer.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur messtechnischen Instrumentierung von Werkstücken wird mindestens eine optische Faser, die als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildet ist, in die Oberfläche des Werkstücks integriert. Dabei wird die optische Faser in Ausnehmungen eingebracht, deren Breit und Tiefe an den Durchmesser der optischen Faser angepasst sind.
Zum Abgreifen der Messwerte von den als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern und zum Weiterleiten der Messwerte an eine Auswerteelektronik können ebenfalls optische Fasern verwendet werden. In dem Fall, in dem es sich bei dem zu erprobenden Werkstück 10 um eine Turbinenschaufel handelt, können diese optischen Fasern zur Weiterleitung der Messwerte durch einen Schaufelfuß geführt werden. Dies bewirkt eine Zugentlastung der optischen Fasern.
Über die in 1 gezeigte geometrische Konfiguration der optischen Fasern 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 hinaus sind weitere geometrische Konfigurationen der optischen Fasern denkbar. So können die optischen Fasern auch diagonal über ein zu erprobendes Werkstück geführt werden.
Als optische Fasern kommen vorzugsweise hochtemperaturstabile oder polyimidcodierte Glasfasern zum Einsatz, die als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildet sind.

10: Werkstück
11: optische Faser
12: optische Faser
13: optische Faser
14: optische Faser
15: optische Faser
16: optische Faser
17: optische Faser
18: optische Faser
19: Krümmungsabschnitt
20: Krümmungsabschnitt
21: Krümmungsabschnitt
22: Krümmungsabschnitt

Claims

Messtechnische Anordnung zur Prüfung von Werkstücken, mit mindestens einer dem Werkstück zugeordneten, als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildeten optischen Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede optische Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) in eine Oberfläche eines Bauteils einer Gasturbine (10) integriert ist, wobei in die Oberfläche Ausnehmungen eingebracht sind, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser der optischen Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) angepasst sind und in den Ausnehmungen eine optische Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche des Werkstücks (10) mehrere als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildete optische Fasern (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) in unterschiedlicher geometrischer Konfiguration angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildeten optischen Fasern (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) mit unterschiedlichen Krümmungen auf der Oberfläche des Werkstücks (10) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildete optische Faser (11, 18) krümmungsfrei in Form einer Geraden in der Oberfläche des Werkstücks (10) angeordnet ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildete optische Faser (12, 17) in Form einer abgewinkelten Geraden in der Oberfläche des Werkstücks (10) derart angeordnet ist, dass ein erster Abschnitt der Faser (12, 17) gegenüber einem zweiten Abschnitt derselben abgewinkelt ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildete optische Faser (13, 14, 15, 16) derart in der Oberfläche des Werkstücks (10) angeordnet ist, dass die Faser (13, 14, 15, 16) einen Krümmungsabschnitt von in etwa 90° und/oder einen Krümmungsabschnitt von in etwa 180° aufweist, wobei in dem Krümmungsabschnitts von in etwa 180° benachbarte Abschnitte der entsprechenden optischen Faser (13, 14, 15, 16) in etwa parallel zueinander verlaufen.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) als dynamisch belastetes Bauteil, insbesondere als Schaufel einer Turbine oder Gehäuse einer Turbine, ausgebildet ist.
Verwendung einer messtechnischen Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung der Eigenschaften eines dynamisch belasteten Bauteils, insbesondere einer Schaufel einer Turbine oder eines Gehäuses einer Turbine.
Verfahren zur messtechnischen Instrumentierung von Werkstücken, mit mindestens einer dem Werkstück zugeordneten, als Bragg-Gitter-Sensor ausgebildeten optischen Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede optische Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) in eine Oberfläche eines Bauteils einer Gasturbine (10) integriert wird, wobei in die Oberfläche Ausnehmungen eingebracht werden, deren Breite und Tiefe an den Durchmesser der optischen Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) angepasst sind und in den Ausnehmungen eine optische Faser (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche des Werkstücks mehrere als Bragg-Gitter-Sensoren ausgebildete optische Fasern in unterschiedlicher geometrischer Konfiguration, insbesondere mit unterschiedlichen Krümmungen, angeordnet werden.