DE3631153A1 - Pruefvorrichtung fuer bauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Bauteile mit komplizierter Gestalt wie Schaufeln von Strömungs­ maschinen, die in der Vorrichtung aufheizbar sind, wobei mittels Meßaufnehmern ihr Zeitstandsverhalten unter Prüf­ bedingungen erfaßbar ist. In aller Regel werden solche Bauteile, insbesondere Maschinenbau und Apparatebau, be­ stimmten Prüfungen unterworfen, um eine Vorhersage für die Zuverlässigkeit im Betrieb treffen zu können. Es han­ delt sich dabei insbesondere um Lebensdauervorhersage oder um die Planung von Wartungs- und Testintervallen zwischen denen mit Sicherheit Schäden ausgeschlossen wer­ den können. Von besonderem Interesse ist dies für Bautei­ le, die einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind, insbe­ sondere kombinierten Beanspruchungen im instationären Betrieb, aber auch im stationären Betrieb, wie bei Strö­ mungsmaschinen. Solche Prüfungen sollen eine möglichst gezielte statistische Prognose gestatten, entweder für eine bestimmte Zeitdauer oder für die Lebensdauer, d. h. bis zur Zerstörung durch Bruch oder ähnliches, und im allgemeinen werden hierfür sogenannte Zeitstandsprüfun­ gen durchgeführt, dies sind im allgemeinen Zugversuche mit geheizten Proben in sogenannten Universalprüfmaschinen, wobei die Kriechfestigkeit festgestellt werden kann (DIN 50118). Hier sollen jedoch auch ähnliche oder weitere Prüfungen in sogenannten Universalprüfmaschinen durch­ geführt werden.

Übliche Prüfvorrichtungen weisen in einem Sockel eine motorisch betriebene Spindel auf, die mit einer Zugein­ richtung aus Stahl verbunden ist. Dabei ist das zu unter­ suchende Teil in einem Ofen angeordnet und dieser seiner­ seits mit einem Gestell derart, daß die Halterung oder Aufhängung für das untersuchende Teil belastet werden kann (mit einem Gegengewicht). Um während des Versuchs eine Wärmedehnung des zu untersuchenden Teils zu erzielen, wird der Ofen in üblicher Weise beheizt, meist mit einem in die Ofenwandung eingelassenen elektrischen Rohrheiz­ körper, der seine Wärmestrahlung an das zu untersuchende Teil abgibt. Übliche Öfen haben eine Atmosphäre, entweder aus Luft, Schutzgas oder Vakuum. Die Wärmefortleitung von der Heizquelle erfolgt im Durchgang durch die be­ schriebene Atmosphäre. Untersucht wird in den bekannten Prüfvorrichtungen eine Materialprobe.

Soll die beschriebene Zeitstandsprüfung auch für Bauteile, insbesondere Fertigbauteile von komplizierter Gestalt gelten, die bei ihrer Herstellung eine Abkühlung und/oder Erstar­ rung hinter sich haben, so sind die bisherigen bekannten Vorrichtungen und vorgenommenen Prüfungen nicht ausreichend repräsentativ, um die gewünschte Prognose zu erstellen. Bei Bauteilen insbesondere gegossenen Bauteilen, die eine hohe Festigkeit, insbesondere Kriechfestigkeit aufweisen sollen, ist das Werkstoffgefüge entscheidend. Dieses ent­ steht durch die Art der Erstarrung der metallischen Werk­ stoffe. Einflußgrößen auf die Kriechfestigkeit sind z. B. Korngrößen, Kornstruktur und Korngrenzen, ferner die Wärmeabfuhr bei der Erstarrung und dem Erstarrungs­ zyklus (Temperaturzeitprogramm) sowie die Materialien, die das gegossene Bauteil umgeben wie z. B. Form­ materialien (Gußschalen).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prüfvorrichtung zu schaffen, die trotz der geschilderten schwierigen Vor­ aussetzungen eine Zeitstandsuntersuchung im Zeit­ temperaturprogramm für eine repräsentative Prognose, für eine bestimmte Zeitdauer oder als statistische Lebensdauerprognose gestattet. Dabei soll das Bauteil möglichst gleichmäßig erwärmt werden, mindestens je­ doch in einem solchen Bereich, in dem die höchsten thermischen Beanspruchungen auf das Bauteil im Be­ trieb einwirken. Außerdem sollte eine reproduzierbare Zugbelastung des Bauteils zugleich mit thermischer Be­ lastung aufgebracht werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das zu prüfende Bauteil in einem seiner Form angepaßten Suszeptor aufgenommen ist, der seinerseits von einer Induktionsspule umgeben ist, die bei Stromdurchfluß heizt und die für die Dauer der Prüfung eine vorge­ wählte Temperatur hält.

Hierdurch gelingt es, die zeitliche und thermische Ab­ kopplung des Heizelementes dem zu untersuchenden Bau­ teil in gewünschter Weise anzupassen, d. h. mit hoher Temperaturkonstanz, in dem gewünschten Bauteil oder mindestens im gewünschten Bereich desselben. Zugleich ist die Anordnung des Heizelementes gemäß der Erfindung so getroffen, daß eine mechanisch stabile und jederzeit einwandfrei nachvollziehbare Zugkrafteinleitung erfolgen kann.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen, der Beschreibung und Zeichnung eines Aus­ führungsbeispiels zu entnehmen. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern der Fachmann weiß, daß diese abgewandelt werden kann ohne hierdurch den Raum der Erfindung zu verlassen.

Hierzu gehören auch alle Kombinationen und Unterkombi­ nationen der beschriebenen, dargestellten und bean­ spruchten Merkmale.

Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht der Prüfvorrichtung,

Fig. 2 die Meß-, Steuer- und Auswerteeinrichtung,

Fig. 3 den Suszeptor mit darin enthaltenem Bauteil im Querschnitt,

Fig. 4 den neuen Ofen mit induktiver Erwärmungsein­ richtung,

Fig. 5 ein zu prüfendes Bauteil in Vorderansicht,

Fig. 6 das Bauteil nach Fig. 5 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 6a Querschnitt in einer bestimmten Länge der Schaufellängsachse A-A in Fig. 5 bei der Linie a-a in Fig. 6,

Fig. 6b einen Schnitt entlang der Linie b-b in Fig. 6.

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Bau­ teile mit komplizierter Gestalt wie Turbinenschaufeln, die in der Vorrichtung aufheizbar sind, wobei mittels Meßaufnehmern ihr Thermozeitstandsverhalten wie Kriech­ festigkeit, unter Prüfbedingungen erfaßt ist, d. h. daß das zu prüfende Bauteil in einem seiner Form ange­ paßten Suszeptor aufgenommen ist, der seinerseits von einer Induktionsspule umgeben ist, die ihn für die Dauer der Prüfung auf vorgenannter Temperatur hält.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die Prüfvorrichtung einen Maschinensockel 1 mit dem Antrieb z. B. einer Spindel 2 oder ähnliche Bewegungseinrichtung, eine Dehnungs­ ausgleichsvorrichtung (Hysterese-Schalt- und Dämpfungs­ vorrichtung) 3 auf. Die Meßvorrichtung mit Meßauf­ nehmer ist mit 4 bezeichnet und der Ofen, der die Probe umgibt, mit 5. Alle diese Teile sind zwischen zwei Säulen 6 des Gestells 7 mit wenigstens einer Traverse 8 angeordnet und zwar so, daß die Spindel gekuppelt werden kann mit dem Zylinder der Dehnungsausgleichsvor­ richtung und der Probenhalter mit einem zweiseitigen Hebel 9 an dem eine Belastungsmasse (Gewicht) 10 aufge­ hängt ist. Der zweiseitige Hebel weist ein Übersetzungs­ verhältnis von 20:1 auf. Er ist in Fig. 1 nicht maß­ stäblich dargestellt, jedoch in die Zeichenebene (um 90° versetzt) geschwenkt.

Mit 14 ist die Kupplung für den Probenhalter 19 a bezif­ fert und mit 13 der Endschalter, der in dieser Position geschlossen ist.

Beim Aufheizen kann sich der Versuchsaufbau insbesondere die Probe 17 um das Maß A dehnen und der Probenhalter 19 a ist über Gestänge 15 am oberen Ende bei 8 mit dem zweiseitigen Hebel 9 verbunden und am unteren Ende über Zwischengestänge 18 und 19 mit dem Kolben 16 in einem Zylinder 11, der mit Hydrauliköl gefüllt ist. Hinter diesem befindet sich die Spindel 2, die zum Antriebs­ motor im Maschinenbett bzw. Sockel 1 führt. Das Hysterese- Schaltgestänge 12 für 13 und 3 ist ebenfalls deutlich sichtbar.

Nach Beendigung des Versuchs ist die Dehnungsausgleichs­ einrichtung um das Maß A kontrahiert, d. h. A ist unge­ fähr zu Null geworden. Dabei ist der Kolben mit seiner Stange 18 in den Zylinder hineinbewegt worden, der durch sein Hydrauliköl die Bewegung dämpft bzw. sanft ab­ federt. Dadurch wird ein Bruch der Halter und des Quarz­ stabs 19 vermieden, der den Kontakt zwischen Probe 17 und Aufnehmer 4 herstellt. In der unteren Hälfte ist in der Hysterese-Schalt- und Dämpfungsvorrichtung die Dämpfungsflüssigkeit im Zylinder 11 für plötzliche Ab­ wärtsbewegung (bei Bruch oder Riß der Probe) enthalten. Am unteren Ende ist eine kreisrunde Öffnung 14 sichtbar, wo der Bolzen der Kupplung von 15 zur Befestigung an der Motorspindel 2 einrastet. Der Endschalter 13 ist mit dem Zylinder 11 fest verschraubt. Das Hysterese-Schalt­ gestänge 12 ist oberhalb des Zylinders 11 gelegen.

Mittels des Bolzen 17 ist der Kolben 16 mit der oberen Kupplung 14 und 15 verbunden. Das Oberteil kann sich um den Dehnungs- bzw. Kontraktionsweg A zum Unterteil be­ wegen. Die Kolbenstange 18 ist hohl und der ver­ bleibende Innenraum dient zur Aufnahme des überschüssigen Hydrauliköls, wenn der Kolben in den Zylinder eintaucht. Mit dem Oberteil fest verbunden ist auch die Schalter­ betätigungsstange 12, die zwei zueinander beabstandete Stifte aufweist, so daß die Schalterbetätigung einen, dem Abstand A entsprechenden Hystereseweg aufweist. Am Oberteil ist die Kupplungseinrichtung 15 identisch mit der des Unterteils vorgesehen und dient dazu, bei 14 die Abkopplung an den Aufnehmer und den Probenhalter vorzunehmen.

Bei Bruch der Probe bewegt sich der Probenhalter, das Aufnehmerjoch und der Meßaufbau mit dem empfindlichen Dehnungsaufnehmer und den Quarzglasstäben in Richtung auf das Unterteil, wobei die Bewegung durch den Kolben 16 im Zylinder 11 infolge des darin enthaltenen Öls stark gedämpft wird. Dabei wird der Endschalter 13 be­ tätigt, der über eine numerische Steuerung die Spindel 2 des Antriebsmotors und den Ofen ausschaltet. Bei zeit- bzw. dehnungsgesteuerten Versuchen fährt bei Be­ endigung des Versuchs, gesteuert von der numerischen Steuerung, die Antriebsspindel 2 mit dem Unterteil in Richtung Oberteil, wobei nach Überwindung der Hyster­ esestrecke ebenfalls der Endschalter 13, die Ofen­ heizung und die Antriebsspindel abgeschaltet wird. Da jedoch in diesem Betriebszustand noch eine feste Verbindung des Oberteils mit dem Belastungsgewicht 10 über dem Hebel 9 vorliegt - vorausgesetzt die Probe ist noch intakt - kontrahiert der gesamte Versuchsauf­ bau, der sich im Ofenbereich befindet, infolge dessen abnehmender Temperatur. Jedoch steht jetzt der Hysterese­ weg A der Vorrichtung zur Verfügung, so daß die Kontrak­ tion ohne Schaden des Versuchsaufbaus und der Probe erfolgen kann, d. h. während des Kontraktionsvorganges bleibt der gesamte Versuchsaufbau spannungslos.

Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Prüfvor­ richtung ein Arbeiten mit einem Dehnungsaufnehmer (DME) nach dem Prinzip des inkrementalen Linearmeßsystems, d. h. der von der Probe übertragene Meßweg wirkt auf ein Quarzmeßelement, auf welchem nach dem Photo­ resistverfahren eine Miniaturskale eingeätzt ist, die photooptisch abgetastet wird und ohne Umwandlung ein codiertes BCD-Signal ausgibt, welches direkt vom Prozeßrechner verarbeitet werden kann. Die beschriebene Materialprüfvorrichtung kann je nach Anwendungsfall entweder in einer vorgegebenen Zeit oder nach einer voreingestellten Dehnung vollautomatisch abschalten. Die gewünschten Prozeßparameter werden mittels Programm in den Prozeßrechner eingegeben.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der Meß-, Steuer- und Auswerteeinrichtung.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden im linken Teil I aus der Prüfvorrichtung die Istwerte 4, 22, 23 für den Com­ puter C im Mittelteil gewonnen. Im rechten Teil O erfolgt die Ausgabe und ggf. Speicherung der Daten. Meßwerte sind die Zeit (v), die Temperatur (t), die Dehnung (ε) und die Zugkraft (p). Mit 24 ist die Meßwertaufbereitung z. B. Verstärkung und/oder A/D Umwandlung bezeichnet, mit 25 der Prozeßrechner z. B. ein HP 85 zur Meßwertver­ arbeitung. Er ist mit dem Sollwertgeber 28 (z. B. ent­ sprechend der Art der Istwerte) und dem Steuerteil 26 sowie den Leistungsteller 27 verbunden. Letzterer steuert die Heizung 21 für den Ofen 5 und den Antriebs­ motor 20 für die Spindel 2 (Fig. 1) zur Zugkraftein­ leitung. Die ausgegebenen Daten werden registriert z. B. in einem Plotter/Drucker 29 und gespeichert z. B. in einer Floppy-disc 30.

Das Temperatur-Zeit-Programm für die induktive Heizung des Ofens 5 ist vorher ausgewählt und im Computer C ge­ speichert, so daß es für einen gewünschten Versuchsab­ lauf (Prüfung oder Test) beliebig abrufbar ist. Die Auswahl richtet sich vor allem - einschließlich Program­ mierung der einzuleitenden Zugkraft (p) - nach dem zu prüfenden Bauteil, d. h. dessen u. a. durch seine Ge­ stalt bestimmte mechanische und thermische Belastbar­ keit. Diese kann - je nach Querschnitt - über die Länge des Bauteils verschieden sein (vgl. Fig. 5, 6, 6a, 6b). Schwächungen im Material des Querschnitts sind ebenfalls zu berücksichtigen.

Die Fig. 3 zeigt den Suszeptor, der in seiner Form dem zu prüfenden Bauteil angepaßt ist und dieses hier zwischen einer oberen und unteren Formhälfte aufnimmt. Eine Hälfte kann abnehmbar sein in der Art wie bei Gießformen. Der Werkstoff der Suszeptorhälften ist metallisch, insbe­ sondere ein Block aus hochwarmfestem Werkstoff z. B. einer Legierung aus IN 100, Ren´ 80, die innere Oberfläche der Formhälfte, welche den Hohlraum für eine Turbinenschaufel 33 bietet, ist durch ein geeignetes Formgebungsverfahren insbesondere ein spanendes Formungsverfahren, möglichst genau der Oberfläche der Turbinenschaufel, bzw. deren Querschnitt angepaßt worden. Die Blöcke werden bevorzugt aus dem Vollen hergestellt. Die Außenkontur des Sus­ zeptors ist beliebig.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der induktiven Heizspule. Da­ bei ist der metallische Suszeptor 31, 32 von einem Mantel 35 aus einem Wärmeisolationsmaterial, insbesondere keramischen Material, wie Al₂O₃ umgeben. Die Induktionsspule 36 ist mit einer Stromquelle bei 37 verbunden und heizt somit bei Strom­ durchgang das Bauteil, hier Turbinenschaufel 33, im ge­ wünschten Bereich gleichmäßig (isotherm) auf. Der Isolations­ mantel 35 kann noch durch einen oberen Deckel und einen unteren Boden, gleicher Ausführung wie Deckel 38, jedoch als spiegelbildlicher Boden 39 ergänzt sein. Mit 14, 15 ist die Kupplung für die Zugkrafteinleitung zum Bauteil be­ zeichnet. Diese ist mit Vorteil so ausgeführt, daß der Fuß 40 der Schaufel 33 das Widerlager für die spannzangen­ artige Kupplung 14, 15 bildet. Ersichtlich ist dabei die mechanische Krafteinleitung in der Hauptachse A-A von der thermischen Beeinflussung des Bauteils, hier im Schaufel­ blattbereich, räumlich völlig getrennt, d. h. sie können sich gegenseitig nicht stören. Auf diese Weise ist es möglich, sämtliche Forderungen, die sich die Erfindung gestellt hat, zu erfüllen. Insbesondere ist die Einspannung der Schaufel 33 so erfolgt, daß die Zugkrafteinleitung einwandfrei reproduzierbar ist. Die Einspannelemente - hier Stahlspann­ elemente 14, 15 - bleiben bei der Durchführung des Prüf­ programmes im Vergleich zum zu prüfenden Bauteil auf so niedriger Temperatur, daß sie aus wesentlich preiswerterem Material gefertigt werden können. Im Falle einer Super­ legierung für Turbinenschaufeln könnte dann das Einspann­ element 14 aus Edelstahl gewählt werden. Die Zugkraft kann unterhalb der Teile der Vorrichtung gemessen werden, die in Fig. 4 dargestellt sind. Es ist eine übliche Kraftmeß­ dose anwendbar. Die Temperatur kann z. B. durch Thermo­ elemente gemessen werden, die an der Schaufeloberfläche angebracht werden. Es empfiehlt sich eine konstante Prüftemperatur von 900-1100°C bei den Turbinenschaufeln über dem geforderten Bereich (10-80% der Schaufelblattlänge "l", vgl. Fig. 5 und 6) sowie quer zur Längsachse der Schaufel von der Vorder­ zur Hinterkante mit einer Temperaturkonstanz von Delta T ±2°C. Diese Temperaturkonstanz sollte auch für die ge­ samte Dauer der Prüfung aufrechterhalten werden können. Die Prüfzeit kann etwa 10¹ - etwa 10⁴ Stunden betragen.

Die Dehnungsmeßelemente werden mit Vorteil ebenso wie die Temperaturmeßelemente auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 33 angebracht und zwar im Zwischenraum zwischen dem Hohlraum des metallischen Suszeptors und der Bauteiloberfläche. Die Dehnungsmeßelemente sind an sich bekannter Art, ebenso ihre Anbringung und Signal-, Meß-, Verstärkungs- und Auswerteeinrichtung.

Die Bauteilquerschnitte zeigen Kühlluftbohrungen 34 in Fig. 6a und Fig. 6b.

In Fig. 4 nicht ersichtlich ist ferner eine Turbinen­ schaufel für ein anders geformtes Bauteil mit einer oberen Halterung wie Deckplatte oder -band 41, die oder das ein Gegenstück zum Fuß 40 bildet (siehe Fig. 5 und Fig. 6). Damit wird das Gegenlager zur Zugkrafteinleitung für die Kupplung 14, 15 gebildet. Bei üblichen Schaufeln ohne Deckband kann eine der Halterung dienende Platte aufge­ schweißt oder ähnlich befestigt werden.

Wie ersichtlich, ist die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung für eine große Anzahl von Bauteilen geeignet und läßt sich mit sehr geringer elektrischer Leitung über eine lange Zeitdauer betreiben. Die gewünschten Untersuchungen können deshalb ausreichend genau erfolgen und entsprechende Meßer­ gebnisse erreicht werden, inbesondere repräsentative statistische Prognosen für einen bestimmten Zeitabschnitt des Betriebes oder die gesamte Lebensdauer eines Bauteils insbesondere von hochbeanspruchten Bauteilen. So gestattet es die Erfindung, Schaufeln von Strömungsmaschinen oder ähnliche, insbesondere gegossene Bauteile kostengünstig auf ihre Kriechfestigkeit nach einem gewünschten Programm zu prüfen. Auf Prüfstände, in denen die Bauteile mit heißen Verbrennungsgasen angeblasen werden müssen kann mit der Er­ findung verzichtet werden. Die Prüfvorrichtung kann allge­ mein für Bauteile des Maschinenbaus, des Apparatebaus, der Elektrotechnik, des Fahrzeugbaus und deren Antriebe (Flug­ zeuge, Schiffe, Landfahrzeuge) und deren Prüfung in oben beschriebener Art angewandt werden, auch für Zug-, Druck-, Biege- und kombinierte Beanspruchungen.

Die Erfindung kann Teil einer automatischen Kontrolle am Ende einer Fertigung oder Fertigungsstraße sein, in der alle Bauteile vor Auslieferung überprüft werden, so daß die Ergebnisse der Qualitätskontrolle jedem Bauteil, als Prüfprotokoll ausgedruckt beigegeben werden können.

Claims (8)

1. Prüfvorrichtung für Bauteile mit komplizierter Gestalt wie Schaufeln von Strömungsmaschinen, die in der Vor­ richtung aufheizbar sind, wobei mittels Meßaufnehmern ihr Zeitstandverhalten unter Prüfbedingungen erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Bau­ teil in einem seiner Form angepaßten Suszeptor auf­ genommen ist, der seinerseits von einer Induktions­ spule umgeben ist, die bei Stromdurchfluß heizt und ihn für die Dauer der Prüfung auf vorgewählter Tempe­ ratur hält.

2. Prüfvorrichtung für Bauteile nach Anspruch 1 zur Erfas­ sung des thermischen Zeitstandverhaltens wie Kriechfe­ stigkeit bei Aufheizen und gegebenenfalls Abkühlen.

3. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil aus dem Suszeptor heraus­ ragend in einem Zugelement der Vorrichtung einspannbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor aus einem hochwarmfesten Werkstoff wie IN 100, Ren´ 80 besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor von Wärme­ isolationsmaterial umgeben ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor wie eine Gießform ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu prüfenden Bauteil und der Form des Suszeptors ein, wenn auch kleiner Zwischenraum vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bauteil und Suszeptor insbesondere auf der Oberfläche des Bauteils Meßaufnehmer insbesondere Dehnungsmeßaufnehmer angeordnet sind.