DE3631153C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Bauteile mit kompli­ zierter Gestalt wie Schaufeln von Strömungsmaschinen, die in der Vorrichtung durch einen von einer Induktionsspule umgebenen Suszeptor der bei Stromdurchfluß durch die Spule heizt und die zu prüfenden Bauteile für die Dauer der Prüfung auf vorgewählter Temperatur hält, aufheizbar sind, wobei mittels Meßaufnehmern ihr thermisches Zeit­ standverhalten wie Kriechfestigkeit bei Aufheizen und gegebenenfalls Abkühlen unter Prüfbedingungen erfaßbar ist.

In aller Regel werden solche Bauteile, insbesondere in Maschinenbau und Apparatebau, bestimmten Prüfungen unterworfen, um eine Vorhersage für die Zuverlässigkeit im Betrieb treffen zu können. Es handelt sich dabei insbesondere um Lebensdauervorhersage oder um die Planung von Wartungs- und Testintervallen zwischen denen mit Sicherheit Schäden ausgeschlossen werden können. Von besonderem Interesse ist dies für Bauteile, die einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind, insbesondere kombinierten Beanspruchungen im instationären Betrieb, aber auch im stationären Betrieb, wie bei Strömungsmaschinen. Solche Prüfungen sollen eine möglichst gezielte statistische Prognose gestatten, ent­ weder für eine bestimmte Zeitdauer oder für die Lebensdauer, d. h. bis zur Zerstörung durch Bruch oder ähnliches, und im allgemeinen werden hierfür sogenannte Zeitstandsprüfungen durchgeführt. Dies sind im allgemeinen Zugversuche mit geheizten Proben in sogenannten Univer­ salprüfmaschinen, wobei die Kriechfestigkeit festgestellt werden kann (DIN 50118). Hier sollen jedoch auch ähnliche oder weitere Prüfungen in sogenannten Universalprüfmaschinen durchgeführt werden.

Übliche Prüfvorrichtungen, wie sie aus US-PS 29 66 537 bekannt sind, weisen in einem Sockel oder Rahmen (dort Fig. 1, Position 17) eine hand- oder motorisch betriebene Spindel (dort Fig. 1, Position 18) auf, die mit einer Zugeinrichtung (dort Fig. 1, Position 16) aus Stahl verbunden ist. Dabei ist das zu untersuchende Teil in einem Ofen und dieser seinerseits mit einem Gestell derart angeordnet, 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 üblicherweise beheizt, meist mit einem in die Ofenwandung einge­ lassenen elektrischen Rohrheizkörper, wie er aus DE-PS 8 48 275 be­ kannt ist, 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 beschriebene Atmosphäre. Untersucht wird in den bekannten Prüfvorrichtungen eine Materialprobe.

Aus DE-PS 8 24 267 ist ein rohrförmiger oder aus Streben bestehender Stützkörper bekannt, der innerhalb des Heizraumes angeordnet ist. Dieser Stützkörper hat den Nachteil, daß ein großvolumiger Kon­ vektionsraum für heiße Gase zum Prüfkörper vorhanden ist, so daß eine gleichmäßige Erwärmung des Prüfkörpers nicht gewährleistet ist.

In der Prüfvorrichtung nach DE-PS 8 24 267, DE-PS 8 48 275 und US-PS 29 66 537 werden zylindrische Heizräume so angeordnet, daß im Inneren ein Hohlraum für die Aufnahme von Proben und Probeneinspannungen zur Verfügung steht. Die Probenerwärmung erfolgt durch Wärmestrahlung oder durch induktive Einkoppelung, wobei die strahlenden Zylinderflä­ chen nicht der Kontur oder Form des Prüflings angepaßt sind und nach­ teilig große Volumina für störende Wärmekonvektion zwischen Prüf­ körper und Heizer freibleiben.

Soll die beschriebene Zeitstandsprüfung auch für Bauteile, insbe­ sondere Fertigbauteile von komplizierter Gestalt gelten, die bei ihrer Herstellung eine Abkühlung und/oder Erstarrung hinter sich haben, so sind die in bisherigen bekannten Vorrichtungen vor­ genommenen Prüfungen nicht ausreichend repräsentativ, um die ge­ wünschte Prognose zu erstellen.

Die bekannten Prüfvorrichtungen verhindern darüberhinaus nicht die Schattenbildungen in einem konvektionsfreien Vakuum wie sie bei Bau­ teilen mit komplizierter Gestalt beispielsweise im Deckbandbereich einer Turbinenschaufel oder im Schaufelbereich eines integralen Ra­ dialrotors beim Prüfen unter hohen Temperaturen auftreten und sind nur für radialsymmetrische zylindrische Einheitsmeßproben einsetzbar, die keine Ecken oder Kanten aufweisen.

Bei Bauteilen insbesondere gegossenen Bauteilen, die eine hohe Festigkeit insbesondere Kriechfestigkeit aufweisen sollen, ist das Werkstoffgefüge entscheidend. Dieses entsteht durch die Art der Erstarrung der metallischen Werkstoffe. Einflußgrößen auf die Kriech­ festigkeit sind z. B. Korngrößen, Kornstruktur und Korngrenzen, ferner die Wärmeabfuhr bei der Erstarrung und dem Erstarrungszyklus (Tempe­ raturzeitprogramm) sowie die Materialien, die das gegossene Bauteil umgeben wie z. B. Formmaterialien (Gußschalen).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prüfvorrichtung zu schaffen, die trotz der geschilderten schwierigen Voraussetzungen eine Zeitstands­ untersuchung im Zeittemperaturprogramm für eine repräsentative Prognose, für eine bestimmte Zeitdauer oder als statische Lebens­ dauerprognose gestattet. Dabei soll das Bauteil möglichst gleich­ mäßig erwärmt werden, mindestens jedoch in einem solchen Bereich, in dem die höchsten thermischen Beanspruchungen auf das Bauteil im Betrieb einwirken.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Suszeptor in seiner Form dem Bauteil angepaßt und wie eine Gießform ausgebildet ist und ein kleiner Zwischenraum zwischen dem zu prüfenden Bauteil und der Form des Suszeptors vorhanden ist.

Hierdurch gelingt es, die zeitliche und thermische Ankopplung des Heizelementes dem zu untersuchenden Bauteil in gewünschter Weise an­ zupassen, d. h. mit hoher Temperaturkonstanz, in dem gewünschten Bauteil oder mindestens im gewünschten Bereich desselben.

Die Anordnung des Bauteils, des Suszeptors und des Heizelementes kann so getroffen werden, daß eine mechanisch stabile und jederzeit ein­ wandfrei nachvollziehbare Zugkrafteinleitung erfolgen kann, so daß eine reproduzierbare Zugbelastung des Bauteils zugleich mit thermischer Belastung aufgebracht werden können.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeich­ nungen rein schematisch dargestellt. Es zeigen:.

Fig. 1 den Suszeptor mit darin enthaltenem Bauteil im Querschnitt,

Fig. 2 den Ofen mit induktiver Erwärmungseinrichtung,

Fig. 3 ein zu prüfendes Bauteil in Vorderansicht,

Fig. 4 das Bauteil nach Fig. 3 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 5 einen Querschnitt in einer bestimmten Länge der Schaufellängsachse A-A in Fig. 3 bei der Linie a-a in Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie b-b in Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt einen Suszeptor 31, 32, der in seiner Form dem zu prüfenden Bauteil 33 angepaßt ist und dieses hier zwischen einer oberen 31 und unteren 32 Formhälfte aufnimmt. Eine Hälfte kann abnehmbar sein in der Art wie bei Gießformen. Der Werkstoff der Suszeptorhälften 31 und 32 ist metallisch, insbesondere 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 spannendes Form­ ungsverfahren, möglichst genau der Oberfläche der Turbinenschaufel 33, bzw. deren Querschnitt angepaßt worden. Die Blöcke der Sus­ zeptorhälften 31 und 32 werden bevorzugt aus dem Vollen hergestellt. Die Außenkontur des Suszeptors ist beliebig.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung einer induktiven Heizspule 36. Dabei 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 Stromdurchgang das Bauteil, hier Turbinenschaufel 33, im gewünschten Bereich gleichmäßig (isotherm) auf. Der Isolationsmantel 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 eine Kupplung für eine Zugkrafteinleitung zum Bau­ teil bezeichnet. Diese ist mit Vorteil so ausgeführt, daß der Fuß 40 der Schaufel 33 das Widerlager für die spannzangenartige Kupplung 14, 15 bildet. Ersichtlich ist dabei die mechanische Krafteinleitung in der Hauptsache A-A von der thermischen Beein­ flußung des Bauteils, hier im Schaufelblattbereich, räumlich völlig getrennt, d. h. sie können sich gegenseitig nicht stören. Insbesondere ist die Einspannung der Schaufel 33 so erfolgt, daß die Zufkrafteinleitung einwandfrei reproduzierbar ist. Die Ein­ spannelemente - hier Stahlspannelemente 14, 15 - bleiben bei der Durchführung des Prüfprogrammes im Vergleich zum zu prüfenden Bauteil auf so niedriger Temperatur, daß sie aus wesentlich preiswerterem Material gefertigt werden können. Im Falle einer Superlegierung für Turbinenschaufeln könnte dann das Einspann­ element 14 aus Edelstahl gewählt werden. Die Zugkraft kann unter­ halb der Teile der Vorrichtung gemessen werden, die in Fig. 2 dargestellt sind. Es ist eine übliche Kraftmeßdose anwendbar. Die Temperatur kann z. B. durch Thermoelemente gemessen werden, die an der Schaufeloberfläche angebracht werden. Es empfiehlt sich eine konstante Prüftemperatur von 900-1100°C bei den Turbinenschau­ feln über dem geforderten Bereich (10-80% der Schaufelblatt­ länge "1", vgl. Fig. 3 und 4 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 Prüf­ zeit kann etwa 10¹ bis etwa 10⁴ Stunden betragen.

Dehnungsmeßelemente werden mit Vorteil ebenso wie Temperaturmeß­ elemente auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 33 angebracht und zwar im Zwischenraum zwischen dem Hohlraum des metallischen Suszeptors und der Bauteiloberfläche. Die Dehnungselemente sind an sich von bekannter Art, ebenso ihre Anbringung sowie Signal-, Meß-, Verstärkungs- und Auswerteeinrichtung. Die Bauteilquerschnitte zeigen Kühlluftbohrungen 34 in Fig. 5 und Fig. 6.

In Fig. 2 nicht ersichtlich ist ferner eine Turbinenschaufel für ein anders geformtes Bauteil mit einer oberen Halterung wie Deck­ platte oder -band 41, die ein Gegenstück zum Fuß 40 bildet (siehe Fig. 3 und Fig. 4). Damit wird das Gegenlager zur Zugkraftein­ leitung 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 Leistung über eine lange Zeitdauer betreiben. Die gewünschten Untersuchungen können deshalb ausreichend genau erfolgen und entsprechende Meßergebnisse erreicht werden, insbesondere re­ präsentative statische Prognosen für einen bestimmten Zeitabschnitt des Betriebes oder die gesamte Lebensdauer eines Bauteils insbe­ sondere von hochbeanspruchten Bauteilen. So gestattet es die Erfin­ dung, 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 Erfindung verzichtet werden. Die Prüfvorrichtung kann allgemein für Bauteile des Maschinenbaus, des Apparatebaus, der Elektrotechnik, des Fahrzeugbaus und deren Antriebe (Flugzeuge, Schiffe, Landfahrzeuge) und deren Prüfung in oben beschriebener Art angewandt werden, auch für Zug-, Druck- und kombinierte Bean­ spruchungen.

Die Erfindung kann Teil einer automatischen Kontrolleinrichtung 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 ausge­ druckt beigegeben werden können.

Claims (5)

1. Prüfvorrichtung für Bauteile mit komplizierter Gestalt wie Schau­ feln von Strömungsmaschinen, die in der Vorrichtung durch einen von einer Induktionsspule umgebenen Suszeptor, der bei Strom­ durchfluß durch die Spule heizt und die zu prüfenden Bauteile für die Dauer der Prüfung auf vorgewählter Temperatur hält, auf­ heizbar sind, wobei mittels vorgesehenen Meßaufnehmern ihr thermisches Zeit­ standsverhalten wie Kriechfestigkeit bei Aufheizen und gegebenen­ falls Abkühlen unter Prüfbedingungen erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor in seiner Form dem Bauteil angepaßt und wie eine Gießform ausgebildet ist und ein kleiner Zwischenraum zwischen dem zu prüfenden Bauteil und der Form des Suszeptors vorhanden ist.

2. Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus dem Suszeptor herausragend in einem Zugelement der Vorrichtung einspannbar vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Suszeptor aus einem hochwarmfesten Werk­ stoff wie IN 100, Ren´ 80 besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Suszeptor von Wärmeisolationsmaterial um­ geben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bauteil und Suszeptor insbesondere auf der Oberfläche des Bau­ teils Meßaufnehmer insbesondere Dehnungsmeßaufnehmer angeordnet sind.