DE19710743A1 - Gas-turbine blades crack testing and crack depth measurement - Google Patents
Gas-turbine blades crack testing and crack depth measurementInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Rißprüfung/- Rißtiefenmessung an Bauteilen, insbesondere an Turbinen schaufeln, die aus Metall bestehen, das jedoch relativ ge ringere spezifische elektrische Leitfähigkeit hat.The present invention relates to crack testing / Crack depth measurement on components, especially on turbines shovels that are made of metal, but relatively ge has lower specific electrical conductivity.
Es ist bekannt, Turbinenschaufeln nicht nur nach deren Her stellung, sondern auch (in Abständen) nach einer Laufdauer auf das Vorhandensein von Materialrissen zu überprüfen. Zum Beispiel in Gasturbinen sind Turbinenschaufeln sehr hohen Be lastungen ausgesetzt, die zu Rißbildung im Material führen können. Die vom Gasstrahl getroffenen Flächen von Turbinen schaufeln sind meistenteils mit einer vorzugsweise hochwärme beständigen Beschichtung bis zu etwa 0,3 mm Dicke versehen. Eine entdeckte Rißbildung ist dann dahingehend zu beurtei len, ob ein jeweiliger Riß nur diese Oberflächenschicht be trifft oder tiefer bis in das Grundmaterial hineinreicht. Entsprechend ist dann zu entscheiden, ob eine Turbinenschau fel, an der Risse festgestellt worden sind, noch weiter ver wendet werden kann, bzw. lediglich mit einer neuen Oberflä chenschicht zu versehen ist. Bei jeglicher Rißprüfung ist aber auch darauf zu achten, ob ein vermeintlicher Riß nicht durch eine (magnetische) Materialinhomogenität vorgetäuscht ist. Selbstverständlich muß diese Rißprüfung eine nicht ma terialzerstörende Methode sein.It is known to not only turbine blades after their position, but also (at intervals) after a running time check for the presence of material cracks. To the Examples in gas turbines are turbine blades with very high loads exposed to loads that lead to cracking in the material can. The areas of turbines hit by the gas jet Mostly, blades are preferably with high heat resistant coating up to about 0.3 mm thick. A discovered crack formation is then to be assessed accordingly check whether a respective crack only covers this surface layer hits or extends deeper into the base material. It is then to be decided accordingly whether a turbine inspection where cracks have been found can be used, or only with a new surface layer is to be provided. With any crack test is but also to pay attention to whether a supposed crack is not simulated by a (magnetic) material inhomogeneity is. Of course, this crack test does not have to be measured material-destroying method.
Es ist bekannt, Rißprüfung an Werkstücken mit Wirbelstrom meßgeräten durchzuführen. Zum Beispiel ist aus der DIN-Norm 54 140, Teil 3 bekannt, mit Sonden-Spulensystemen dort ange gebener vielfältiger Art in ebenfalls dort angegebener Schal tungs- und Betriebsweise die Rißdetektion und -messung durchzuführen. Es ist für alle Prüfvarianten die Messung von Amplitude und auch Phase des angeregten Echosignals auszufüh führen, um nach entsprechender Demodulation der an der Meß spule gemessenen Spannung U M das definierte Ausgangs- bzw. Meßsignal US zu erhalten. Diese zweifache Messung ist relativ aufwendig. Aus den bekannten Unterlagen zu dieser DIN-Norm können im übrigen Definitionen und Beispiele hinsichtlich verwendeter Spulenformen und Abmessungen, Schaltungen und dergleichen entnommen werden.It is known to carry out crack testing on workpieces with eddy current measuring devices. For example, it is known from the DIN standard 54 140, part 3 to perform the crack detection and measurement with probe coil systems of various types specified in the circuit and operating mode also given there. It is to carry out the measurement of the amplitude and phase of the excited echo signal for all test variants in order to obtain the defined output or measurement signal U S after corresponding demodulation of the voltage U M measured at the measuring coil. This double measurement is relatively complex. From the known documents relating to this DIN standard, definitions and examples with regard to the coil shapes and dimensions, circuits and the like used can also be found.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, auch kleine Risse, insbesondere auch solche in lediglich der Oberflächenbe schichtung von z. B. 0,1 bis 0,5 mm Tiefe, zuverlässig detek tieren und möglichst auch quantitativ auf Rißtiefe erfassen zu können. Der genannte Bereich schließt auch solche Risse ein, die meistenteils nicht mehr visuell erfaßbar sind, den noch aber beachtet werden müssen.The object of the present invention is also small cracks, especially those in only the surface area layering of z. B. 0.1 to 0.5 mm depth, reliable detec animals and if possible also quantitatively record the depth of the crack to be able to. The area mentioned also includes such cracks one that is mostly no longer visually perceivable but must still be observed.
Diese Aufgabe wird mit der Lehre des Patentanspruches 1 ge löst.This task is ge with the teaching of claim 1 solves.
Die Vorgehensweise der Erfindung ist folgende: Es wird aus Material, aus dem die zu untersuchenden Turbinenschaufeln be stehen, ein Testkörper hergestellt und in diesen werden durch Funkenerosion Nuten mit in vereinfachender Weise vorzugsweise gleicher, praktisch ausführbar möglichst geringer Breite, je doch mit unterschiedlicher Tiefe hineinerodiert. Bei der Er findung wird dieser Testkörper, der eine durch diese Erosion bekannte Geometrie an Nuten besitzt, die - wie im Rahmen der Erfindung erkannt - mit Rissen an Turbinenschaufeln ver gleichbar sind, als Vergleichsnormal benutzt. Das mit solchen erodierten Nuten versehene Material des Testkörpers wird mit tels der auch bei der Messung am Prüfling verwendeten Wirbel stromsonde ausgemessen und somit ein erfindungsgemäßes Ver gleichsmuster erstellt.The procedure of the invention is as follows: Material from which the turbine blades to be examined be stand, a test body is produced and in this are by Spark erosion grooves are preferred in a simplistic manner same, practically feasible as small as possible width, each but eroded into it at different depths. At the Er This test body is the one that is caused by this erosion has known geometry on grooves, which - as in the context of Invention recognized - ver with cracks on turbine blades are used as a comparison standard. That with such material of the test specimen provided with eroded grooves is provided with means of the vertebrae also used in the measurement on the test object current probe measured and thus a Ver same pattern created.
Die Fig. 1 zeigt ein solches Vergleichsmuster mit wie darin angegebenen künstlich erzeugten Nuten mit unterschiedlichen Tiefen für eine Nutbreite von z. B. 230 µm. Aufgenommen ist dieses Muster z. B. mit einer Meßfrequenz 2 MHz. Fig. 1 shows such a comparison pattern with artificially generated grooves with different depths for a groove width of z. B. 230 microns. This pattern is included, for. B. with a measuring frequency of 2 MHz.
Die Fig. 1a zeigt eine aus Fig. 1 abgeleitete Eichkurve, aufgetragen der Betrag der Widerstandsänderung DIZI über der Nuttiefe (mit 230 und mit 80 µm Nutbreite).The Fig. 1a shows an inferred from FIG. 1 calibration curve, the amount of resistance change DIZI applied over the groove depth (230 and 80 microns groove width).
Fig. 2 zeigt die Abwicklung der gekrümmten Oberfläche der im Betrieb Druck-belasteten Seite eines sichtbare Risse aufwei senden Schaufelblattes einer schon in Betrieb gewesenen Tur binenschaufel. Fig. 2 shows the development of the curved surface of the pressure-loaded side of a visible cracks in the operating airfoil blade of an already operating turbine bucket.
Dazugehörig zeigt Fig. 3, ebenfalls in Abwicklung, ein an der Turbinenschaufel nach Fig. 2 ermitteltes Meßergebnis, aufgenommen mit derselben Anordnung und Einstellung, mit der das Meßsignalmuster nach Fig. 1 gewonnen wurde.Was added Duly FIG. 3, also in processing, a detected on the turbine blade of FIG. 2 measurement result was added with the same arrangement and setting, with which the Meßsignalmuster of FIG. 1 recovered.
Fig. 4 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnittes aus Fig. 3. FIG. 4 shows an enlargement of a detail from FIG. 3.
Fig. 5 zeigt ein Schaltungsprinzip. Fig. 5 shows a circuit principle.
Bei den nachfolgend wiedergegebenen und erörterten Messungen und Meßergebnissen ist entgegen der DIN-Vorschrift in - wie bestätigt zuverlässiger Weise - entsprechend erfindungsgemä ßer Vereinfachung nur noch die Amplitude des Meßsignals ge messen worden. Es hat sich erwiesen, daß es keine wesentliche Abweichung gibt, wenn auf die erschwerende Messung auch der Phase verzichtet wird.In the measurements reproduced and discussed below and measurement results is contrary to the DIN regulation in - how confirmed reliably - according to the invention ß simplification only the amplitude of the measurement signal ge been measured. It has been shown that it is not an essential one There is a deviation if the aggravating measurement is also the Phase is dispensed with.
Wie durch Überprüfung mit Testreihen von Schliffbilduntersu chungen festgestellt wurde, ist ein Vergleich des Meßergeb nisses nach Fig. 3 mit dem Meßergebnis des Musters der Fig. 1 zulässig und verläßlich, obwohl die Risse im Schaufelblatt (Fig. 2) z. B. nur 20 µm breit sind, wohingegen das Muster nach Fig. 1/1a Erosions-Nutbreiten von angegebenen 230 bzw. 80 µm hat. Die Verläßlichkeit des Vergleichs ist bis auf ma ximal ± 10% Abweichung gewährleistet. Bei genügend großer Verstärkung der Meßsignale zur Fig. 3 können, wie die prak tisch gewonnene Erfahrung zeigt, auch unsichtbare kleinere Risse mit z. B. weniger als 0,2 mm Tiefe erfaßt werden. Die Fig. 3 läßt einen solchen Riß zwischen den beiden Peaks 7 und 8 erkennen, wie dies die Fig. 4 als Ausschnittsvergröße rung der Fig. 3 zeigt.As was determined by checking with test series of micrographs, a comparison of the measurement result according to FIG. 3 with the measurement result of the pattern of FIG. 1 is permissible and reliable, although the cracks in the airfoil ( FIG. 2) z. B. are only 20 µm wide, whereas the pattern according to Fig. 1 / 1a has erosion groove widths of the specified 230 or 80 µm. The reliability of the comparison is guaranteed up to a maximum of ± 10% deviation. With sufficient amplification of the measurement signals for Fig. 3, as the practical experience shows, even invisible small cracks with z. B. less than 0.2 mm depth can be detected. FIG. 3 shows such a crack between the two peaks 7 and 8 , as shown in FIG. 4 as a section enlargement of FIG. 3.
Die Erfahrung mit dem Arbeiten nach der Erfindung hat also gezeigt, daß die alleinige Amplitudenmessung völlig ausrei chende Sicherheit der Rißprüfung gewährleistet und auf die ansonsten übliche, aufwendige Berücksichtigung einer Phasen lage vorteilhafterweise verzichtet werden kann.So the experience of working according to the invention has shown that the sole amplitude measurement is completely sufficient ensuring the safety of the crack test and on the otherwise usual, time-consuming consideration of a phase location can advantageously be dispensed with.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit auch von der Oberfläche der Schaufel ausgehende unsichtbare Risse in Tur binenschaufeln festgestellt und mit einem verbindlichen Prü fergebnis bewertet werden.With the method according to the invention can thus also by Surface of the bucket outgoing invisible cracks in the door bin scoops found and with a binding test result can be assessed.
Durch Variieren der Meßfrequenz, d. h. Durchführung der Mes sungen bei jeweils verschieden groß gewählter Meßfrequenz im KHz- bis MHz-Bereich, kann sichergestellt werden, daß es sich tatsächlich um einen Riß und nicht etwa um eine magnetische Verunreinigung, Gefügeumwandlung und dergleichen und/oder um eine oxidierte Stelle des Metalls handelt, deren Vorhanden sein für die eigentliche Rißprüfung und Rißtiefe-Messung nicht von Interesse ist. Solche festgestellten magnetischen und/oder oxidierten Stellen können dann anderweitig bewertet werden.By varying the measurement frequency, i.e. H. Execution of the Mes solutions with differently chosen measuring frequency in KHz to MHz range, it can be ensured that it is actually a crack, not a magnetic one Pollution, structural transformation and the like and / or around is an oxidized site of the metal, its presence be for the actual crack test and crack depth measurement is not of interest. Such found magnetic and / or oxidized spots can then be assessed otherwise will.
Zur bei gegebenenfalls zwei oder mehreren unterschiedlichen Meßfrequenzen erfolgenden erfindungsgemäßen Messungen emp fiehlt es sich, eine axiale Gradiometer-Meßsonde mit trans formatorischer Schaltung oder auch eine Einzelspule in para metrischer Schaltung zu benutzen. Bei der transformatorischen Schaltung erfolgen Erregung und Messung mit zwei getrennten Spulen, die vorzugsweise sehr dicht beieinander angeordnet sind. Bei Anwendung der parametrischen Schaltung erfolgen Er regung und Messung mit ein und derselben Spule. Auch hier er folgt die Erregung mittels einer Generatoreinheit mit Wech selstrom mit für die Meßdurchgänge konstanter Amplitude bei jeweiliger vorgegebener Meßfrequenz. Die in dieser Sondenspu le induzierte Meßwert-Spannung UM wird ausgewertet.For possibly two or more different ones Measuring frequencies taking measurements according to the invention emp it is necessary to use an axial gradiometer probe with trans circuit or a single coil in para metric circuit to use. With the transformative Excitation and measurement are carried out with two separate circuits Coils, which are preferably arranged very close together are. When using the parametric circuit, Er Excitation and measurement with one and the same coil. Here too he the excitation follows by means of a generator unit with alternation selstrom with constant amplitude for the measuring passes respective predetermined measuring frequency. The one in this probe spu le induced measured value voltage UM is evaluated.
Weitere allgemeine Einzelheiten bezüglich zu verwendender Tast-/Sondenspulen gehen aus der genannten DIN 54 140 Teil 3, dort insbesondere Seite 3, hervor.Further general details regarding the probe / probe coils to be used can be found in the aforementioned DIN 54 140 part 3 , there in particular page 3.
Die Fig. 5 zeigt mit 51 den Wechselstromgenerator und mit 52 die Erregerspule. Die transformatorisch angekoppelte Gradio metersonde ist mit 53 bezeichnet. Die Empfangssignal-Verstär kung erfolgt mittels des Verstärkers 54. Mittels der Einheit 55, z. B. einem Digital-Oszilloskop, betrieben im Peak-De tection-Mode, erfolgt die Amplitudenmessung und das Ausgangs signal wird mit dem Drucker 56 ausgedruckt. FIG. 5 shows at 51 the alternator 52 and with the excitation coil. The transformer-coupled Gradio meter probe is designated 53 . The received signal amplification takes place by means of the amplifier 54 . By means of the unit 55 , e.g. B. a digital oscilloscope, operated in peak detection mode, the amplitude measurement and the output signal is printed out with the printer 56 .
Die Wicklungen der Spulen der Gradiometersonde 53 sind z. B. auf ein Aluminiumoxid-Stab mit 0,8 mm Durchmesser aufge wickelt. Der Abstand der Wicklungen beträgt ca. 1 mm und der Drahtdurchmesser 30 µm. Es ergibt sich ein Widerstand von ca. 6 Ohm und eine Induktivität von etwa 2 µH. Die Erregerwick lung 52 hat z. B. einen Durchmesser von 3,5 mm mit einem Drahtdurchmesser von 50 µm, einen Widerstand von ca. 12 Ohm und eine Induktivität von ca. 56 µH.The windings of the coils of the gradiometer probe 53 are e.g. B. wrapped up on an alumina rod with a 0.8 mm diameter. The distance between the windings is approx. 1 mm and the wire diameter is 30 µm. The result is a resistance of approx. 6 ohms and an inductance of approx. 2 µH. The excitation winding 52 has z. B. a diameter of 3.5 mm with a wire diameter of 50 microns, a resistance of about 12 ohms and an inductance of about 56 µH.
Der Gradiometerabgleich erfolgt zweckmäßigerweise an Luft, d. h. ohne Beeinflussung durch (sonstiges) elektrisch leiten des Material.The gradiometer adjustment is expediently carried out in air, d. H. conduct electrically without being influenced by (other) of the material.
Es empfiehlt sich, siehe Fig. 2, die Detektion von Rissen
Nr. 1 bis Nr. 10 in folgender Weise durchzuführen:
Messung, z. B. in etwa parallel einer Kante Ka des Schaufel
blattes S, auf einer der Spuren A bis J in einem ersten Ab
stand von dieser Kante. Weiter eine oder vorzugsweise auch
mehrere gleichartige Messungen in weiteren der parallelen
Spuren A bis J, jedoch mit jeweils anderem Abstand von dieser
Kante Ka. Diese Messungen erfolgen bei einer ersten Frequenz.
Wiederholung dieser Messungen mit einer anderen Frequenz und
ggf. weitere Wiederholung(-en) mit (jeweils) noch anderen
Frequenzen. Man wählt dazu Frequenzen in einem Bereich von
etwa 50 KHz bis 5 MHz, wobei man entsprechend der Anzahl
(z. B. 5 bis 10mal) der obigen Wiederholungen von Messungen
bei verschiedener Frequenz die jeweiligen Frequenzwerte in
diesem Bereich in z. B. 5 bis 10 Stufen aufgeteilt bemessen
auswählt. Dies dient der Unterscheidung von zu detektieren
den/zu messenden Rissen gegenüber sonstigen, obengenannten
Ursachen.It is recommended, see FIG. 2, to carry out the detection of cracks No. 1 to No. 10 in the following manner:
Measurement, e.g. B. approximately parallel to an edge Ka of the blade S, on one of the tracks A to J in a first From this edge. Furthermore, one or preferably also several similar measurements in further of the parallel tracks A to J, but with a different distance from this edge Ka. These measurements are carried out at a first frequency. Repetition of these measurements with a different frequency and, if necessary, further repetition (s) with (each) other frequencies. To do this, frequencies in a range from approximately 50 KHz to 5 MHz are selected, with the respective frequency values in this range in z. B. selected 5 to 10 levels divided dimensioned. This serves to differentiate between the cracks to be detected / measured and other causes mentioned above.
Es empfiehlt sich, wie voranstehend beschriebene Messungen auch in (parallelen) Spuren in einem Winkel zu den Spuren A bis J, z. B. (in der Ebene der Fig. 2) senkrecht dazu, d. h. etwa parallel der Eintrittskante K der Schaufel (diese Kante ist für Risse besonders anfällig), auszuführen.It is advisable, as described above, for measurements in (parallel) tracks at an angle to tracks A to J, e.g. B. (in the plane of FIG. 2) perpendicular to it, ie approximately parallel to the leading edge K of the blade (this edge is particularly susceptible to cracks).
Die eigentliche Rißtiefenmessung wird dann (in entsprechender Weise) vorzugsweise mit einer der jeweilig verwendeten Son denspulen und deren Resonanzfrequenz entsprechend gewählter Meßfrequenz ausgeführt. Diese Frequenz wird vorzugsweise auf etwa 2/3 dieser Resonanzfrequenz bemessen.The actual crack depth measurement is then (in a corresponding Way) preferably with one of the son used in each case the coils and their resonance frequency selected accordingly Measuring frequency executed. This frequency is preferably set to measured about 2/3 of this resonance frequency.
Es sei noch folgende Anmerkung gemacht:
Ein vorhandener Riß im Material der Beschichtung und ggfs.
des Grundmaterials der Schaufel liefert bei allen Meßfre
quenzen Signale der gleichen Richtung (Polarität). Treten je
doch Signale auf, die im Bereich von z. B. ab 200 bis 500 KHz
eine Umkehr der Polarität zeigen, beruhen diese Signale auf
magnetischem Belag bzw. magnetischer Inhomogenität. Es han
delt sich dabei in der Regel um nadelförmige Ausscheidungen,
die insbesondere in der oben schon erwähnten Schutz-Beschich
tung entstanden sind und Signale geben, die je nach Meßfre
quenz negativ oder positiv sind.The following note should also be made:
An existing crack in the material of the coating and possibly the base material of the blade delivers signals of the same direction (polarity) at all measuring frequencies. Do signals ever occur that are in the range of z. B. from 200 to 500 KHz show a reversal of polarity, these signals are based on magnetic coating or magnetic inhomogeneity. It is usually needle-shaped excretions, which have arisen in particular in the above-mentioned protective coating and give signals which are negative or positive, depending on the measuring frequency.
Claims (5)
Verwendung/Herstellung eines Kontrollkörpers, bestehend aus gleichem wie dem zu prüfenden Material, mit in dessen einer Oberfläche erzeugten Nuten mit vorgegeben un terschiedlichen Tiefen der einzelnen Nuten und vorgebba rer Breite derselben,
Durchführung einer Rißtiefenmessung (Fig. 1) an diesem Kontrollkörper zwecks Erstellung einer Eichkurve (Fig. 1a) für die Abhängigkeit der sich jeweils ergebenden Meß signal-Amplituden von der jeweiligen Tiefe der erzeugten Nuten,
Messung mit unveränderter Meßanordnung/Wahl der Spule am Prüfling (Fig. 3) zum Erhalt von Meßwerten dieses Prüf lings, die mit den Meßergebnissen am Kontrollkörper (Fig. 1)/mit der Eichkurve (Fig. 1a) zur Bestimmung vorliegender jeweiliger Rißtiefe im Material des Prüf lings verglichen werden.1. A method for the non-destructive detection of cracks and for measuring the depth of cracks in electrically conductive material with at least 0.1 to 1 m W × cm of specific electrical resistance using a measuring device with eddy current sensing coils at a predeterminable measuring frequency with evaluation, whereby axial Gradiometer measuring probes ( 53 ) with a transformer circuit or a single coil in a parametric circuit are used with the procedure:
Use / production of a control body, consisting of the same material as the material to be tested, with grooves produced in one surface thereof with predetermined different depths of the individual grooves and a predeterminable width thereof,
Carrying out a crack depth measurement ( FIG. 1) on this control body for the purpose of creating a calibration curve ( FIG. 1a) for the dependence of the measurement signal amplitudes which result in each case on the respective depth of the grooves produced,
Measurement with unchanged measuring arrangement / choice of the coil on the test specimen ( Fig. 3) to obtain measured values of this test specimen, with the measurement results on the control body ( Fig. 1) / with the calibration curve ( Fig. 1a) for determining the respective crack depth in the material of the examinee are compared.
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