DE3910430A1

DE3910430A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der verteilung von waermefluss und von waermeuebergangskoeffizienten auf der oberflaeche einer gekuehlten, in einer hochtemperaturumgebung eingesetzten komponente

Info

Publication number: DE3910430A1
Application number: DE3910430A
Authority: DE
Inventors: Eugene Frank Adiutori
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-04-13
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1989-10-26
Also published as: GB2217453A; US4916715A; GB8908124D0; FR2630210A1; JPH01299449A

Description

Die Erfindung betrifft die Auslegung gekühlter Kom ponenten für den Einsatz in Maschinen und Triebwerken. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Verteilung vom Wärme fluß und von Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Ober fläche von gekühlten Komponenten, wie sie zum Beispiel in Gasturbinentriebwerken und anderen Maschineneinsatz bereichen angetroffen werden, in denen gekühlte Kompo nenten in einer Hochtemperaturumgebung verwendet werden.

Die vorliegende Anmeldung hat Bezug zur Auslands anmeldung mit der Serien-Nr. 13DV-8934 von Eugene F. Adiutori, mit dem Titel "Apparatus and Method for Measuring the Thermal Performance of a Heated or Cooled Component" und zur Anmeldung mit der Serien-Nr. 13DV-8994 von Eugene F. Adiutori und James E. Cahill mit dem Titel "Apparatus and Method für Determining Heat Transfer Coefficient Based on Testing Actual Hardware Rather Than Simplistic Scale Models of Hardware".

Es ist allgemein bekannt, mechanische Komponenten in Maschinen wie beispielsweise Gasturbinentriebwerken mit Kühlsystemen auszustatten, um den Betrieb der Maschine bei höheren Temperaturen zu gestatten, als ohne derarti ge Kühlsysteme möglich wäre. Die durch derartige Kühl systeme ermöglichten höheren Betriebstemperaturen führen zu einer verbesserten Funktion und zu einem besseren Wirkungsgrad der Maschine.

Um ein optimales Kühlsystem für Komponenten, die in einer Hochtemperaturumgebung arbeiten sollen, auszulegen, ist es notwendig, die Wärmefluß- oder Wärmestromverteilung auf die Oberfläche der Komponen te, die der Hochtemperatur ausgesetzt ist, zu bestim men. Ein bekanntes Verfahren zum Bestimmen der Wärme flußverteilung besteht darin, tatsächliche Messungen in einem Betriebssystem unter Verwendung im Handel erhältlicher Wärmeflußmeßeinrichtungen, zum Beispiel in Form von Meßstreifen, die auf der Oberfläche der Komponente plaziert werden, aufzunehmen. Beispiele solcher Meßeinrichtungen sind Heat Flux Gauges, die von der RdF Corporation in Hudson, New Hampshire, angeboten werden. Jedoch können diese Meßeinrichtungen nicht in Umgebungen verwendet werden, bei denen die Temperaturen, denen die Meßeinrichtungen ausgesetzt sind, deren maximal erlaubte Betriebstemperatur über schreiten, die typischerweise bei 260°C (500°F) liegt. Diese maximal erlaubte Temperatur ist jedoch zu gering, um sinnvolle Messungen an einer Komponente ausführen zu können, die in einer Hochtemperaturumge bung, beispielsweise einem Gasturbinentriebwerk, verwendet wird, in dem Temperaturen von über 1093°C (2000°F) auftreten können. Auch weisen die im Handel erhältlichen filmartigen Wärmestrommeßeinrichtungen bzw. -streifen Ausdehnungen in der Größenordnung von 6,35 mm bis 12,7 mm auf, wodurch sie für zahlreiche Anwendungen zu groß sind. Ferner weisen diese Meß einrichtungen einen beträchtlichen Widerstand auf, der die Größe und die Verteilung des Wärmeflusses beeinträchtigt und auf diese Weise erhebliche Meß fehler erzeugen kann. Wärmeflußmeßeinrichtungen der genannten Art weisen typischerweise Wärmewiderstände von -17,78 bis -17,77°C/3, 15 459 W/m² (0,003 bis 0,010°F/BTU/hr.ft.²) auf, wodurch beträchtliche Fehler hervorgerufen werden können, wenn die Meßeinrichtung großen Wärmeflußmengen ausgesetzt wird.

Es sind im Handel Wärmeflußmeßeinrichtungen er hältlich, die hohen Temperaturen widerstehen können, beispielsweise kreisrunde Wärmeflußmeßfolien, die von Thermogage, Inc., Frostburg, Maryland, vertrieben werden. Der Durchmesser dieser Folien beträgt 12,7 mm bis 25,4 mm (0,5 bis 1,0 Inches) und ist zu groß, um in kleinen Komponenten verwendet zu werden.

Ein zweites bekanntes Verfahren zum Bestimmen von Wärmeflußverteilungen beinhaltet die Vorhersage der Wärmeflußverteilung auf der Oberfläche einer Komponente allein auf der Grundlage einer Analyse, h. h. analytischen Prädiktion. Der Wärmeübergangs- oder Übertragungs koeffizient ("h") wird analytisch berechnet, und die Wärmefluß ("q/A")-Verteilung als Funktion von "x"- und "y"-Koordinaten wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

(q/A) _{x, y} = h _{x, y} (T _Hauptstrom - T _{Oberfläche, x, y}) (1)

wobei T _Hauptstrom die Temperatur der Umgebung ist, in der die Komponente betrieben wird, beispielsweise die Temperatur eines heißen Fluids, das über die Oberfläche der Komponente strömt. T _Oberfläche ist die Temperatur der Oberfläche, für die die Wärmeflußverteilung be stimmt wird. Da es jedoch nicht möglich ist, den Wärme übergangskoeffizienten "h" außer für sehr einfache Geo metrien exakt vorherzusagen, ist dieses Verfahren zum Bestimmen der Wärmeflußverteilung für zahlreiche Kom ponenten mit komplizierten Geometrien wie solche, wie sie in modernen Luftfahrzeugtriebwerken auftreten, nicht exakt oder zuverlässig.

Ein drittes bekanntes Verfahren zum Bestimmen von Wärmeflußverteilungen beinhaltet die Vorhersage der Wärmeflußverteilung auf der Grundlage einer Extrapola tion von Laboratoriumstestmessungen, die an einem Modell der Komponente oder an der Komponente selbst aufgenom men werden. Bei Verwendung eines Modells ist dieses Modell normalerweise in einer kalten Umgebung angeord net, wobei elektrische Heizeinrichtungen auf der Ober fläche des Modells, beispielsweise in Form einer Serie von Heizdrahtwiderständen, z. B. Calrod Heatern, befe stigt sind, die in in der Oberfläche des Modells ein gearbeiteten Rillen liegen. Die den Heizeinrichtungen zugeführte Leistung T _Hauptstrom und T _Oberfläche werden gemessen. Der Wärmefluß wird mit dem Hintergrund der gemessenen Heizeinrichtungsleistung und lokalen Werten vom Wärmeübgangskoeffizienten "h" berechnet, die aus Gleichung (1) gewonnen werden. Die lokalen Werte des Wärmeübergangskoeffizienten "h", die mit diesem Modell gewonnen werden, werden auf die Auslegungsbedin gungen der Maschine extrapoliert, um "h"-Werte für die tatsächliche (eingesetzte) Komponente zu gewinnen. Die Wärmeflußverteilung für die tatsächliche Komponente wird draufhin aus der Beziehung in Gleichung (1) be rechnet.

Jedoch ist die Genauigkeit der Wärmeübergangs koeffizientenverteilung, die durch dieses Verfahren gewonnen wird, ein Kompromißergebnis infolge der Tat sache, daß die Oberfläche des Modells heißer als die Umgebung ist. Die Temperaturdifferenz über die Grenz schicht zwischen der Komponente und der Umgebung ist infolgedessen entgegengesetzt zu der Richtung für eine in einer heißeren Umgebung gekühlte Komponente. Da der gemessene Wärmeübergangskoeffizient von der Rich tung der Temperaturdifferenz über oder durch diese Grenzschicht abhängt, so wird die Genauigkeit der Wärmeflußverteilung, die mit diesen gemessenen Wärme übergangskoeffizienten berechnet wird, nachteilig be einflußt und kann für tatsächliche Komponenten, die im wirklichen Gerät oder in der wirklichen Maschine eingesetzt sind, ungenau sein. Das Verfahren beinhaltet Nachteile auch aufgrund der Tatsache, daß die Heizein richtungen voneinander isoliert werden müssen und auf derselben Temperatur betrieben werden müssen, um eine Wärmequerleitung zu minimieren. Genauer gesagt, muß jede Heizzone Ausdehnungen von mindestens 6,35 mm (0,25 inches) aufweisen, was wiederum zu groß für den Test von kleinen Komponenten ist.

Laboratoriumstestmessungen, die an einer wirklichen Komponente durchgeführt werden, können ebenfalls auf die tatsächlichen Einsatzbetriebsbedingungen extrapo liert werden. In diesem Fall wird die Komponente in einer Hochtemperaturumgebung mit auf ihrer Oberfläche angebrachten Wärmeflußmeßeinrichtungen oder -meßstrei fen betrieben. Wärmeflußwerte werden aus den Meßeinrich tungen ausgelesen und T _Oberfläche und T _Hauptstrom werden gemessen. Wärmeübergangskoeffizientenwerte "h" werden unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet. Die unter Laborbedingungen bestimmten "h"-Werte werden daraufhin auf die tatsächlichen ("Real-Life")-Bedin gungen extrapoliert. Da jedoch die Wärmeflußeinrich tungen der genannten Art verwendet werden, treten auch die Probleme auf, die im Zusammenhang der Verwendung solcher Meßstreifen für das weiter oben erläuterte Verfahren aufgezeigt wurden.

Vor dem Hintergrund der bekannten Verfahren zum Bestimmen von Wärmeflußverteilung und Wärmeüber gangskoeffizientenverteilung auf Oberflächen von ge kühlten Komponenten vorhandenen Schwierigkeiten besteht seit langem ein bislang nicht befriedigter Bedarf an einem anderen Verfahren zum Messen dieser Parameter, welches die beschriebenen Schwierigkeiten beseitigt.

Die Erfindung löst diese Probleme des Standes der Technik und erfüllt diesen seit langem bestehenden Bedarf. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Bestimmung der Verteilung des Wärmeflusses und Wärmeübergangskoeffizienten auf der Oberfläche einer gekühlten Komponente, indem mehrere Temperaturmeßein richtungen auf einer vorbestimmten Fläche der Komponente befestigt werden. Ferner wird eine Heizeinrichtung auf einer vorgewählten Fläche der Komponente befestigt, es wird ein Kühlfluidstrom, der vorbestimmte Eigenschaften hat, der Komponente zugeführt, es werden der Heizein richtung mehrere Leistungsmengen oder Leistungsbeträge zugeführt, der Heizeinrichtungsleistungspegel, die Kühltemperatur und die Temperatur an der Oberfläche der Komponente werden gemessen, und es werden Wärmefluß kalibrierungsdaten für jede Temperaturmeßeinrichtung aus der Heizeinrichtungsleistung, der Kühltemperatur und den Ausgangssignalen der Temperaturmeßeinrichtung abgeleitet. Die Wärmefluß- oder Wärmeströmungskalibrie rungsdaten, die in dieser Weise gemessen werden, werden dazu verwendet, Wärmefluß- und Wärmeübergangskoeffizien tenverteilungen für die gekühlte Komponente in der Umgebung abzuleiten, in der sie verwendet wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeich nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine hohle Turbinenschaufel, auf deren äußerer Oberfläche ent sprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Thermopaare befestigt sind,

Fig. 2 einen Teil eines Querschnitts durch eine Turbinenschaufel, die gemäß einem zweiten Ausführungsbei spiel der Erfindung Schlitze aufweist, die mit Material geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt sind und zwischen Thermopaaren angeordnet sind, welche auf der äußeren Oberfläche der Schaufel befestigt sind,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Ver laufs des Wärmeflusses als Funktion der Differenz zwischen der Temperatur eines auf der Außenfläche einer hohlen Turbinenschaufel nach Fig. 1 befestig ten Thermopaares und der Temperatur eines Kühlmittels, das durch das Innere der Turbinenschaufel strömt,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Turbinen schaufel, die entsprechend einem weiteren Ausführungs beispiels der Erfindung ausgelegt und bestückt ist, und

Fig. 5 den graphischen Funktionsverlauf des Wärmeflusses in Abhängigkeit von der Temperatur für Thermopaare, die auf oder in der Nähe von der hohlen Turbinenschaufel angeordnet sind, die im Querschnitt in Fig. 4 dargestellt ist.

Im folgenden wird ein Beispiel der Erfindung an gegeben, das verdeutlicht, wie durch die Erfindung seit langem bestehende aus dem Stand der Technik resultie rende Bedürfnisse erfüllt werden. Das Ausführungsbei spiel umfaßt die Befestigung einer Vielzahl von Thermopaaren oder Thermoelementen auf der Oberfläche einer gekühlten Komponente und die Kalibrierung der Thermopaare in der Weise, daß die Temperatur, die aus den Thermopaaren ausgelesen wird, und die Temperatur des Kühlmittels, das der Komponente zugeführt wird, den Wärmefluß oder Wärmestrom an der Stelle jedes Thermopaares definieren. Nach der Kalibrierung wird die Komponente gemäß ihrer Funktionsbestimmung eingesetzt und in der selben Weise gekühlt wie während der Durchführung der Kalibrierung. In Verbindung mit dem Kalibrierungs betrieb gewonnene Kalibrierungskurven werden dazu ver wendet, den Wärmefluß an der Oberfläche der Komponente aus den Ausgangssignalen der Thermopaare zu bestimmen. Falls angestrebt, wird der Wärmeübertragungskoeffizient an der Stelle jedes Thermopaares bestimmt, indem der mittels jedes Thermopaares gemessene Wärmefluß durch die Differenz zwischen der Mittel- oder Hauptstrom temperatur und der Temperatur dividiert wird, die von jedem Thermopaar gemessen wird.

Die Kalibrierung der Thermopaare schließt die Zufuhr von Wärme zu einer vorbestimmten Fläche auf der Oberfläche der Komponente ein. Dies kann erfolgen, indem eine dünne Widerstands-Folienheizeinrichtung oder kurz Folienheizwiderstand auf diesem vorbestimmten Flächenbereich der Komponente befestigt wird. Anstelle einer einzigen Heizeinrichtung können auch mehrere Heizeinrichtungen verwendet werden, die gemeinsam imstande sind, der vorbestimmten Oberfläche Wärme zu zuführen. Die Kalibrierung schließt darüber hinaus die Zufuhr eines Kühlmittels vorbestimmter Eigenschaf ten zur Komponente ein, ferner die Beaufschlagung der Heizeinrichtungen oder Heizeinrichtungen mit mehreren elektrischen Leistungsmengen und die Messung der Heizeinrichtungsfläche, der Heizleistungspegel, der Eigenschaften des Kühlmittels, wie der Strömungsrate, des Drucks und der Temperatur, und der Temperaturen an der Oberfläche der Komponente. Die Kalibrierung wird abgeschlossen, indem Kalibrierungsdaten des Oberflächen wärmeflusses in Abhängigkeit von der Temperatur (oder des Temperaturunterschiedes zwischen dem Thermopaar und Kühlmittel) für jedes Thermopaar erzeugt werden.

Im folgenden wird eine detaillierte Beschrei bung des zuvor zusammengefaßten Ausführungsbeispiels der Erfindung gegeben. In einem ersten Schritt zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine oben erläuterte Wärmeflußkalibrierung bezüglich einer gekühlten Komponente durchgeführt. K Thermopaare geringen Durchmessers in Form von beispielsweise be kannten Thermopaaren mit einem Durchmesser von ungefähr 0,254 mm, die abgedeckt bzw. verkapselt, geerdet und mit MgO isoliert sind und Gehäuse aus rostfreiem Stahl oder Inconel aufweisen, werden in flachen Oberflächen rillen installiert, die an einer Vielzahl von Stellen auf der äußeren Oberfläche einer Komponente, die zu mindest eine Kühlpassage aufweist, ausgenommen sind. Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine solche Komponente in Form einer hohlen Turbinenschaufel 12 mit Thermo paaren, die in in ihrer äußeren Oberfläche eingearbei teten Rillen angeordnet sind. Zwei dieser Thermopaare sind in Fig. 1 mit der Bezugszahl 10 angezeigt.

Normalerweise wird die Schaufel 12 hohen Tempe raturen ausgesetzt, die die Schaufel beschädigen oder zerstören können. Solche Temperaturen können 1093°C (2000°F) überschreiten. Um das Beschädigungsrisiko durch diese exzessiven Temperaturen zu minimieren, weist die Turbinenschaufel 12 eine Kühlpassage oder einen Kühlkanal 18 auf, durch den Kühlfluid geleitet wird, um die Temperatur der Schaufel 12 auf einen Sicherheitspegel zu halten. Normalerweise wird als Kühlfluid für Komponenten wie die Turbinenschaufel in Fig. 1 Wasser verwendet, und die Erfindung bringt die besten Ergebnisse für Komponenten, die wasserge kühlt sind, obwohl es nicht erforderlich ist, daß die entsprechend der Erfindung getesteten Komponenten wassergekühlte Komponenten sind, um nützliche Ergeb nisse zu gewinnen. Da das in den weiter unten erläu terten Schritten verwendete Fluid dasselbe sein sollte wie das zur Kühlung der Komponente bei deren tatsäch lichem Einsatz, arbeitet die Erfindung insbesondere am besten, wenn Wasser in den unten erläuterten Schritten verwendet wird, mit Bezug auf die Zufuhr eines Kühlmittels vorbestimmter Eigenschaften zu den Schau feln während des Testens.

Obwohl die vorliegende Erfindung für eine breite Palette verschiedenster Kühlkomponenten durchführbar ist, wird sie vorzugsweise für hohle Komponenten an gewandt, die gleichförmige dünne Wandungen aufweist, weil deren Ergebnisse leichter zu interpretieren sind. Dies ist deshalb der Fall, weil ein geringer Wärmefluß parallel zu den Oberflächen derartiger Strukturen vor liegt und infolgedessen die Ergebnisse auf der Grund lage einer eindimensionalen Wärmeströmung interpretier bar sind.

Entsprechend ist nicht nur die Turbinenschaufel 12 in Fig. 1 hohl, sondern es sind auch die Wände 14 der Schaufel einheitlich und gleichmäßig und dünn, um transversalen Wärmefluß zu verhindern und auf diese Weise die Genauigkeit der Resultate, die auf einer eindimensionalen Analyse gewonnen werden, sicherzustel len. In Komponenten, die analog zur Wandung 14 Flä chenbereiche aufweisen, in denen die Möglichkeit eines extremen Gradienten des Wärmeflusses besteht, der aus einem Wärmefluß parallel zu den Oberflächen der Schau fel resultiert, kann die Wandung mit Schlitzen 16 ver sehen werden, wie in Fig. 2 angezeigt, die mit Material geringer Wärmeleitfähigkeit wie Kunststoffmaterial oder Asbest gefüllt sind, wobei diese Maßnahme einen der artigen Wärmefluß parallel zu den Oberflächen der Schaufel entgegenwirkt.

Nach Befestigung der Thermopaare an der Oberfläche der Schaufel wird eine dünne Widerstands-Folienheiz einrichtung 20, wie z. B. die Heizeinrichtung Minco HK1 311 187/42, bekannter Flächenausdehnung auf der äuße ren Fläche der Komponente in der Weise befestigt, daß diese Heizeinrichtung die Thermopaae und einen großen Bereich der Außenfläche der Komponente abdeckt. Die Außenfläche der Schaufel wird dann isoliert, um sicher zustellen, daß der größte Anteil der Wärme in die Schau fel und deren Kühlmittel und nicht in die Schaufelumge bung fließt. Anschließend wird ein Kühlmittelfluß vorbestimmter Eigenschaften durch die Kühlpassage 18 geleitet. Entsprechend der obigen Aussage wirkte die Erfindung am besten, wenn Wasser als Kühlmittel ver wendet wird. Es kann irgendeine bekannte Kühlmittel quelle zum Zuführen des Kühlmittels verwendet werden, vorausgesetzt, diese Quelle ist imstande, das Kühl mittel mit einer bekannten Temperatur und bekanntem Druck oder einer bekannten Temperatur und bekannten Strömungsrate zuzuführen.

Anschließend werden die Folien- oder Filmheiz einrichtungen mit vorbestimmten Pegeln elektrischer Leistung beaufschlagt. Für jeden elektrischen Leistungs pegel, der einer Heizeinrichtung zugeführt wird, wird die Kühlmitteltemperatur aufgenommen, wobei hierzu irgendein bekanntes Gerät zur Messung der Kühltemperaturen ver wendet werden kann, beispielsweise ein Thermopaar, das am Einlaß der Passage 18 angeordnet ist. Die Oberflächentemperaturen, die von den Thermopaaren ge messen werden, werden ebenfalls aufgenommen, während der Komponente der Wärmefluß und das Kühlmittel zuge führt werden. Der Wärmefluß für jede Heizleistung wird aus der elektrischen Eingangsleistung in die Heizeinrichtung und den bekannten Oberflächenbereich der Heizeinrichtung berechnet.

Die Ergebnisse dieser Messungen und Berechnung werden dazu verwendet, Kalibrierungsdaten in Form einer Kurve zu erzeugen. Die Resultate können z. B. in der in Fig. 3 dargestellten Form ausgeplottet werden, die die Funktion des Heizflusses in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Temperatur, die von einem Oberflächenthermopaar gemessen wurde, und der Tempera tur des Kühlmittels zeigt. Die Daten können auch in Datenverarbeitungseinrichtung eingegeben werden, die imstande ist, die Daten zu speichern, den Wärmefluß zu berechnen und eine die Kalibrierungskurve dar stellende Gleichung abzuleiten. Im vorliegenden Fall wird der Heizfluß für jedes Oberflächenthermopaar im wesentlichen eine lineare Funktion des Unterschie des zwischen der Thermopaar- und Kühlmitteltemperatur sein. Wird mit anderen Worten die Funktion manuell aufgetragen, so wird sich bei linearer Einteilung des Zeichenpapiers eine im wesentlichen gerade Linie ergeben, wie sie durch die Gerade 22 in Fig. 3 ange deutet ist.

Nach Abschluß der Wärmeflußkalibrierung wird die Heizeinrichtung von der Turbinenschaufel entfernt. Die Thermopaare bleiben auf der Schaufeloberfläche be festigt. Die aus der Wärmeflußkalibrierung resultie renden Kurven werden weiter mit den Ausgangssignalen der Thermopaare verwendet, den Heizfluß an jedem Thermopaar zu bestimmen, wenn die Turbinenschaufel darauffolgend in der endgültigen tatsächlichen Anord nung oder in einem Laborexperiment getestet wird, während der Schaufel Kühlmittel derselben Eigenschaf ten wie des während der Kalibrierung verwendeten Kühl mittels zugeführt wird. Genauer gesagt, kann bei einer Anzahl von Testpunkten der Wärmefluß an jedem Thermopaar bestimmt werden, indem einfach die Tempe raturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und Thermopaar gemessen wird und der Wärmefluß am Thermopaar aus der Kalibrierungskurve für dieses Thermopaar entnommen wird. Um den Wärmeübertragungskoeffizienten oder auch die Wärmeübergangszahl an jedem Thermopaar zu bestim men, wird "h" in der obigen Gleichung (1) gemessen, ferner wird T _Hauptstrom gemessen, und Gleichung (1) wird für "h" gelöst, wobei der aus der Kalibrierungs kurve gewonnene Wärmefluß verwendet wird. Die Berech nung der Wärmefluß- und Wärmeübertragungskoeffizienten verteilungen kann mittels einer elektronischen Daten verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einem pro grammierten digitalen Computer erfolgen, dem elektri sche Signale zugeführt worden sind, die die oben er läuterten gemessenen und berechneten Größen repräsen tieren. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann die selbe Datenverarbeitungseinrichtung sein, die im Zu sammenhang mit der Beschreibung des Kalibrierungsbe triebs weiter oben erwähnt wurde.

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Turbinenschaufel 24, die entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgerüstet ist. Die Turbinenschaufel weist eine Anzahl von auf ihrer Außenfläche befestigten Thermopaaren auf. Die Thermo paare, die dort liegen, wo die Schnittebene für die Zeichnung durch die Schaufel angesetzt wurde, sind in der Fig. 4 durch die Bezugszahlen 25 bis 28, 30 und 31 angezeigt. Eine dünne Widerstands-Folienheiz einrichtung, die durch die dicke, durchgezogene schwarze Linie 32 angezeigt wird, ist auf einem Teil der Außenfläche der Schaufel so befestigt, daß sie die Thermopaare 25 bis 28 bedeckt. Die abgedeckten Thermopaare 25 bis 28 werden dazu verwendet, die Wärmefluß- und Wärmeübertragungskoeffizientenvertei lungen zu ermitteln. Die Thermopaare 30 und 31 sind nicht abgedeckt. Die Ausgangssignale der Thermopaare 30 und 31 können dazu verwendet werden, zu überprüfen und sicherzustellen, daß der Wärmefluß aus dem Schau feläußeren ins Schaufelinnere eindimensional ist, wie weiter unten näher erläutert werden wird. Ein film thermopaar 33 kann auf der Außenfläche der Heizein richtung befestigt werden, um die Temperatur der Heiz einrichtung zu überwachen, falls solche Daten ge wünscht werden. Es können auch mehrere derartiger Filmthermopaare auf den Heizeinrichtungen befestigt werden, um die Heizeinrichtungstemperatur bei einer Anzahl von Stellen zu messen, wenn dies gewünscht wird. Zusätzlich zu den Thermopaaren 25 bis 28, 30 und 31 ist eine Temperaturmeßvorrichtung vorgesehen, die in Fig. 4 nicht dargestellt ist, um die Tempe ratur des Kühlfluids, das durch den hohlen Innenraum 23 der Schaufel fließt, zu messen. Diese Temperatur meßvorrichtung kann ein weiteres Thermopaar sein, das so positioniert ist, daß es dem in die Schaufel eintretenden oder diese verlassenden Kühlfluid aus gesetzt ist.

Die Fig. 5 zeigt den graphischen Verlauf von Daten, die mit der in Fig. 4 gezeigten Turbinen schaufel, d. h. deren spezieller Ausrüstung, aufge nommen wurden, wobei die Beziehung zwischen Wärme fluß und Thermopaartemperatur für eine Anzahl Heiz einrichtungsleistungen aufgetragen ist. Der graphi sche Verlauf zeigt eine Serie von Datenpunkten, von denen jede zwei Koordinaten aufweist. Eine der Koordinaten ist der Wärmefluß bei jedem Pegel der Heizeinrichtungsleistung oder kurz Heizleistung. Wie im früheren Beispiel der Fig. 1 wird der Heizfluß oder Wärmefluß aus dem bekannten Wert oder der bekann ten Menge der Heizleistung, die der Turbinenschaufel zugeführt wird, und der bekannten Fläche der Heizein richtung abgeleitet. Die andere Koordinate der einzel nen Datenpunkte in Fig. 5 ist die Temperatur an einem bestimmten Thermopaar, die aus dem Ausgangssignal dieses Thermopaares für jeden Pegel des Heizflusses abgeleitet ist. Durch jeden Satz von Heizfluß- und Temperaturkoordinaten ist für jedes der Thermopaare eine Ausgleichskurve gezogen worden. Jede Kurve der von der Heizeinrichtung bedeckten Thermopaare ist in der Fig. 5 durch die entsprechende Thermopaarbezugs zahl aus Fig. 4 mit hinzugefügtem Strichindex ange zeigt. Die Kurven 34 und 35 beziehen sich auf den temperaturabhängigen Wärmefluß für Thermopaare, die zur Messung der Heizeinrichtungstemperatur verwendet wurden. Da die Kurven für das die Kühltemperatur messende Thermopaar und die Thermopaare 30 und 31 naturgemäß auf der in Fig. 5 verwendeten Skala übereinstimmen, wurde ihnen eine einzige Bezugszahl 36 zugeordnet. Die drei Kurven 36 beziehen sich auf den Wärmefluß in Abhängigkeit von der Temperatur für das Thermopaar, das die Temperatur des Kühlmittels mißt und für die Thermopaare, die nicht von der Heizeinrich tung bedeckt sind, d. h. die Thermopaare 30 und 31 in Fig. 4.

Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, sind die Kurven für das die Kühlmitteltemperatur messende Thermopaar und die Thermopaare 30 und 31 nahezu die gleichen. Sie verlaufen im wesentlichen horizontal, was anzeigt, daß die Temperatur in der Nähe der Thermopaare sich nicht mit ansteigendem Wärmefluß ändert. Dies ist jedoch nicht der Fall bei den Thermopaaren 25 bis 28. Die Kurven für die Thermopaare 25 bis 28 zeigen an, daß die Temperatur in der Umgebung oder Nähe der Ther mopaare mit ansteigendem Wärmefluß ändert. Ferner geht aus Fig. 5 die Tatsache hervor, daß die Wärme übertragung oder der Wärmeübergang durch die Schaufel im wesentlichen eindimensional ist, d. h., der Wärme strom oder Wärmefluß ist senkrecht zur Außenfläche der Schaufel gerichtet. Dies wird durch den Unterschied zwischen den Kurven für die Thermopaare 25 und 31, die am nächsten am Rand der Heizeinrichtung liegen, begründet.

Die Kurven für die Thermopaare unterhalb der Heizeinrichtung und für das Thermopaar, das die Kühl mitteltemperatur mißt, sind zur Ableitung der Wärme fluß- und Wärmeübertragungskoeffizientenverteilungen der Schaufel in der Nähe jeder Thermopaaroberfläche wie im Fall der Anordnung aus Fig. 1 nutzbar. Genauer gesagt, kann eine der Gerade 22 in Fig. 3 vergleich bare Linie für jedes Thermopaar 25 bis 28 aus den je weiligen Kurven 25′ bis 28′ und aus der Kurve für das Thermopaar, das die Kühlmitteltemperatur mißt, abge leitet werden. Die Ableitung erfolgt, indem die Tem peraturkoordinate für jeden Kühltemperaturdatenpunkt von der entsprechenden Temperaturkoordinate der Daten punkte für jedes der Thermopaare 25 bis 28 bei jeder Wärmeflußkoordinate subtrahiert wird. Wie zuvor können die aus dieser Ableitung resultierenden Geraden dazu verwendet werden, die Wärmefluß- und Wärmeübertragungs koeffizientenverteilungen für eine Turbinenschaufel 24 zu bestimmen, die in einer ihrer tatsächlichen Ein satzbestimmung entsprechenden Umgebung oder in einer diese simulierenden Umgebung, wie beispielsweise einer Kaskade, arbeitet.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Wärmeflußverteilung auf einer Oberfläche einer Komponente, gekennzeichnet durch die Schritte des:
Befestigens einer oder mehrerer Temperaturmeßein richtungen auf einer vorbestimmten Fläche an der Stelle jeder Temperaturmeßeinrichtung;
Befestigens einer Heizeinrichtung auf einer vorge wählten Fläche der Komponente;
Zuführens von Kühlmittel vorbestimmter Eigenschaften zur Komponente;
Zuführens mehrerer vorbestimmter Wärmeflußmengen zur Komponente, während das Kühlmittel mit den vorbestimmten Eigenschaften der Komponente zugeführt wird;
Messens der Temperatur des Kühlmittels und der Tem peratur der vorbestimmten Fläche der Komponente für jede vorbestimmte Wärmeflußmenge; und
Ableitens von Wärmeflußkalibrierungsdaten für jede Temperaturmeßeinrichtung aus der der Fläche zugeführten Wärmeflußmenge, der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur der vorbestimmten Fläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ableitende Schritt den Schritt des Ableitens von Daten umfaßt, die eine Wärmeflußkalibrierungskurve für jede Temperaturmeßeinrichtung definieren, indem Werte, die sich auf die vorbestimmten, der Komponente zugeführten Wärmeflußmengen beziehen, als eine Funktion des Temperaturunterschiedes zwischen der Fläche und dem Kühlmittel bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzuführungsschritt den Schritt des Zuführens von Kühlmittel einer vorbestimmten Strömungs rate und Temperatur zur Komponente umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzuführungsschritt den Schritt des Zuführens von Kühlmittel mit einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Temperatur zur Komponente umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Fläche zugeführte Wärmeflußmenge aus der elektrischen Eingangsleistung in die Heizeinrichtung und dem Flächenbereich der Heizeinrichtung abgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Befestigens einer oder mehrer Temperaturmeßeinrichtungen auf der vorbestimmten Fläche der Komponente den Schritt des Befestigens eines oder mehrer Thermopaare an der vorbestimmten Fläche der Komponente umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Befestigens einer Heizeinrichtung auf einer vorbestimmten Fläche der Komponente den Schritt des Befestigens einer Widerstands-Folienheiz einrichtung auf der vorgewählten Fläche der Komponente umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine Turbinentriebswerkskomponente ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine Turbinenschaufel ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens von Kühlfluid zur Komponen te den Schritt des Zuführens von Kühlfluid in eine oder mehrere Passagen in der Komponente umfaßt und daß der Schritt des Befestigens einer Heizeinrichtung auf der vorgewählten Fläche der Komponente den Schritt des Befe stigens der Heizeinrichtung auf einer äußeren Oberfläche der Komponente umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des:
Entfernens der Heizeinrichtung von der Fläche der Komponente;
Zuführens von Kühlmittel vorbestimmter Eigenschaf ten zur Komponente;
Messens der Temperatur der Fläche bei jeder Tempe raturmeßeinrichtung; und
Bestimmens des Wärmeflusses bei jeder Temperatur meßeinrichtung aus den Wärmeflußkalibrierungsdaten und der Temperatur an jeder Temperaturmeßeinrichtung nach Entfernen der Heizeinrichtung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens von Kühlmittel vorbestimm ter Eigenschaften zur Komponente den Schritt des Zuführens von Kühlmittel der Eigenschaften umfaßt, das der Komponen te bei auf der Komponente befestigter Heizeinrichtung zugeführt worden ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des:
Messens der Hauptstromtemperatur; und
Bestimmens des Wärmeübergangskoeffizienten bei jeder Temperaturmeßeinrichtung aus dem Wärmefluß bei jeder Temperaturmeßeinrichtung, der Hauptstromtemperatur und der Temperatur, die von jeder Temperaturmeßeinrichtung ge messen wurde.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt den Schritt des Dividierens des Wärmeflusses bei jeder Temperaturmeßeinrichtung durch die Differenz zwischen der Hauptstromtemperatur und der Temperatur an jeder Temperaturmeßeinrichtung umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des:
Entfernens der Heizeinrichtung von der Fläche der Komponente;
Zuführens von Kühlmittel vorbestimmter Eigenschaften zur Komponente;
Messens der Temperatur der Fläche bei jeder Tempera turmeßeinrichtung; und
Bestimmens des Wärmeflusses bei jeder Temperaturmeß einrichtung aus der Wärmeflußkalibrierungskurve und der Temperatur bei jeder Temperaturmeßeinrichtung nach Entfer nen der Heizeinrichtung.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens von Kühlmittel vorbestimm ter Eigenschaften zur Komponente den Schritt des Zufüh rens von Kühlmittel der Eigenschaften umfaßt, das der Komponente mit auf der Komponente befestigter Heizein richtung zugeführt worden ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des:
Messens der Hauptstromtemperatur; und
Bestimmens des Wärmeübergangskoeffizienten bei jeder Temperaturmeßeinrichtung aus dem Wärmefluß bei jeder Temperaturmeßeinrichtung, der Hauptstromtemperatur und der Temperatur, die von jeder Temperaturmeßeinrichtung gemessen worden ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungsschritt den Schritt des Dividierens des Wärmestroms bei jeder Temperaturmeßeinrichtung durch die Differenz zwischen der Hauptstromtemperatur und der Temperatur bei jeder Temperaturmeßeinrichtung umfaßt.

19. Vorrichtung zum Bestimmen der Wärmeflußverteilung auf einer Oberfläche einer Komponente, gekennzeichnet durch
eine oder mehrere Temperaturmeßeinrichtungen (10; 25 bis 28, 30 und 31), die auf einer vorbestimmten Fläche der Komponente (12; 24) befestigt sind und dazu dienen, die Temperatur der Fläche an der Stelle jeder Temperaturmeßeinrichtung zu messen;
eine Heizeinrichtung (20; 32), die auf einer vorge wählten Fläche der Komponente befestigt ist;
eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel vor bestimmter Eigenschaften zur Komponente;
eine Einrichtung zum Messen der Temperatur des der Komponente zugeführten Kühlmittels;
eine Einrichtung zum Zuführen mehrerer vorbestimmter Heizmengen zur Komponente mittels der Heizeinrichtung;
eine Einrichtung zum Aufzeichnen der Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur der Komponentenfläche an der Stelle jeder Temperaturmeßeinrichtung für jede vor bestimmte Heizmenge; und
eine Einrichtung zum Ableiten von Wärmeflußkalibrie rungsdaten für jede Temperaturmeßeinrichtung aus der der Fläche zugeführten Heizmenge, der Temperatur des Kühl mittels und der Temperatur der Fläche.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die ableitende Einrichtung Einrichtungen zum Ableiten von Daten umfaßt, die eine Wärmeflußkalibrierungskurve für jede Temperaturmeßeinrichtung definiert, indem diese Einrichtung Werte, die sich auf die der Komponente zu geführten Heizmengen beziehen, als Funktion der Differenz der Temperatur der Fläche und des Kühlmittels bestimmen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführungseinrichtung Einrichtungen zum Zuführen von Kühlmittel zur Komponente mit einer vorbe stimmten Strömungsrate und Temperatur umfaßt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführungseinrichtung Einrichtungen zum Zuführen von Kühlmittel zur Komponente unter einem vorbe stimmten Druck und mit einer vorbestimmten Temperatur umfaßt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung aus einem oder mehreren Thermopaaren bestehen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Widerstands-Folienheizein richtung ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 19, ferner gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Ableiten des Wärmeflusses an einer oder mehreren Temperaturmeßeinrichtungen aus den Wärme flußkalibrierungsdaten und den Temperaturen, die von den Temperaturmeßeinrichtungen (10; 25 bis 28, 30 und 31) gemessen wurden.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, ferner gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Ableiten des Wärmeflußkoeffizienten an einer oder mehreren Temperaturmeßeinrichtungen aus dem abgeleiteten Wärmefluß.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Ableiten des Wärmeflußkoeffi zienten eine Vorrichtung zum Messen einer Hauptstromtempe ratur umfassen.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die ableitenden Einrichtungen den Wärmeübergangsko effizienten an einer oder mehreren Temperaturmeßeinrichtun gen aus dem abgeleiteten Wärmefluß, der gemessenen Haupt stromtemperatur und der Temperatur ableiten, die von der einen oder den anderen Temperaturmeßeinrichtungen gemessen wird.

29. Vorrichtung zum Bestimmen des Wärmeflusses an einer oder mehreren Stellen auf einer Oberfläche einer Komponente in einer Hochtemperaturumgebung, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel vorbe stimmter Eigenschaften zur Komponente (12; 24);
eine Einrichtung (10; 25 bis 28, 30 und 31) zum Messen der Temperatur an einer oder mehreren Stellen auf einer vorbestimmten Fläche der Komponente, wenn diese in einer Hochtemperaturumgebung betrieben wird; und
eine Einrichtung zum Bestimmen des Wärmeflusses an dieser einen oder den mehreren Stellen auf der Komponente aus Wärmeflußkalibrierungsdaten und den Ausgangssignalen der Temperaturmeßeinrichtungen.

30. Vorrichtung zum Bestimmen des Wärmeübergangskoeffi zienten für eine oder mehrere Stellen auf einer Ober fläche einer Komponente in einer Hochtemperaturumgebung, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel vorbe stimmter Eigenschaften zur Komponente (12; 24);
eine Einrichtung (10; 25 bis 28, 30 und 31) zum Messen der Temperatur an einer oder mehreren Stellen auf einer vorbestimmten Fläche der Komponente, wenn diese in einer Hochtemperaturumgebung betrieben wird; und
eine Einrichtung zum Bestimmen des Wärmeübergangs koeffizienten für diese eine oder mehrere Stellen aus Wärmeflußkalibrierungsdaten und den Ausgangssignalen der Temperaturmeßeinrichtungen.

31. Verfahren zum Bestimmen des Wärmeflusses an einer oder mehreren Stellen auf einer Oberfläche einer Kompo nente in einer Hochtemperaturumgebung, gekennzeichnet durch
Zuführen von Kühlmittel vorbestimmter Eigenschaften zur Komponente;
Messen der Temperatur an einer oder mehreren Stellen einer vorbestimmten Oberfläche der Komponente, wenn diese in einer Hochtemperaturumgebung betrieben wird; und
Bestimmen des Wärmeflusses an der einen oder den mehreren Stellen auf der Komponente aus Wärmeflußkali brierungsdaten und den Ergebnissen aus dem Temperaturmeß schritt.

32. Verfahren zum Bestimmen des Wärmeübergangskoeffi zienten an einer oder mehreren Stellen auf einer Ober fläche einer Komponente in einer Hochtemperaturumgebung, gekennzeichnet durch
Zuführen von Kühlmittel vorbestimmter Eigenschaften zur Komponente;
Messen der Temperatur an einer oder mehreren Stellen auf einer vorbestimmten Oberfläche der Komponente, wenn diese in einer Hochtemperaturumgebung betrieben wird; und
Bestimmen des Wärmeübergangskoeffizienten für diese eine oder die mehreren Stellen aus Wärmeflußkalibrierungs daten und den Ergebnissen aus dem Temperaturmeßschritt.

33. Verfahren zum Bestimmen der Wärmeflußverteilung auf einer vorbestimmten Oberfläche einer Komponente, gekennzeichnet durch die Schritte des:
Zuführens von Kühlmittel vorbestimmter Eigenschaften auf eine vorgewählte Oberfläche der Komponente;
Zuführens einer vorbestimmten Wärmeflußmenge auf eine vorgewählte Oberfläche der Komponente, während Kühl mittel mit den vorbestimmten Eigenschaften der Komponente zugeführt wird;
Messens der Temperatur des Kühlmittels und der Tem peratur der vorbestimmten Fläche der Komponente für jede vorbestimmte Wärmeflußmenge; und
Ableitens von Wärmeflußkalibrierungsdaten aus der der Komponente zugeführten vorbestimmten Wärmeflußmenge, der gemessenen Temperatur des Kühlmittels und der gemessenen Temperatur der vorbestimmten Oberfläche.

34. Verfahren nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des
Ableitens des Wärmeflusses für die vorbestimmte Oberfläche der Komponente aus den Wärmeflußkalibrierungs daten.

35. Verfahren nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des
Ableitens des Wärmeübergangskoeffizienten für die vorbestimmte Oberfläche der Komponente aus den Wärme flußkalibrierungsdaten.