DE3910433A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der thermischen wirksamkeit einer erwaermten oder gekuehlten komponente - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft erwärmte oder gekühlte Komponenten. Insbesondere betrifft die vor­ liegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der thermischen Wirksamkeit oder Leistungs­ fähigkeit von Komponenten, die einem Heiz- oder Kühl­ fluid ausgesetzt werden. Die Erfindung ist für zahl­ reiche Anwendungsfälle nützlich, jedoch eignet sie sich insbesondere zur Messung der thermischen Wirk­ samkeit von Komponenten mit internen Heiz- oder Kühl­ systemen bzw. -kreisläufen.

Die Erfindung nimmt Bezug zur Auslandsanmeldung mit der Seriennummer 13DV-8970 von Eugene F. Adiotori, mit dem Titel "Method and Apparatus of Measuring the Distribution of Heat Flux and Heat Transfer Coeffi­ cients on the Surfaces of a Cooled Component Used in a High Temperature Environment".

Ferne hat die Erfindung Bezug zur Anmeldung mit der Seriennummer 13DV-8994 von Eugene F. Adiotori und James E. Cahill mit dem Titel "Apparatus and Method for Determining Heat Transfer Coefficient Based on Testing Actual Hardware Rather Than Simplistic Scale Models of Hardware".

Es ist allgemein bekannt, mechanische Komponenten wie sie z. B. in Gasturbinentriebwerken angetroffen werden mit Kühlsystem oder Kühlkreisläufen zu ver­ sehen, um den Betrieb des Triebwerks bzw. der Maschine, die solche Komponenten enthält, bei höheren Temperaturen zu betreiben als es ohne diese Kühlsysteme möglich wäre. Die durch derartige Kühlsysteme erlaubten höheren Betriebstemperaturen erbringen eine verbesserte Funktions- und Leistungsfähigkeit sowie einen ver­ besserten Wirkungsgrad, ohne daß die gekühlten Kom­ ponenten beschädigt oder zerstört werden.

Um eine solche verbesserte Funktionsfähigkeit und einen solchen verbesserten Wirkungsgrad zu reali­ sieren, enthalten Gasturbinentriebwerke Kühlkreisläu­ fe, die ausgewählten kritischen Komponenten im Triebwerk zugeordnet sind. Beispiele von Kühlkreis­ läufen in einem Gasturbinentriebwerk schließen eine Serie von Kühlpassagen oder Kühlkanälen innerhalb der kritischen Komponenten, beispielsweise Turbinenschau­ feln, Leitschaufeln und Deckbändern oder anderen Ab­ deckungen, ein. Während des Betriebs des Getriebes wird Kühlfluid durch diese Passage geleitet, um zu ermöglichen, daß die Komponenten Temperaturen aushal­ ten, die sie andernfalls beschädigen oder zerstören würden.

Der erste Prototyp der Auslegung und Konstruktion eines Gasturbinentriebwerks versagt manchmal, weil ein Auslegungs- oder Herstellungsfehler in den mit der kritischen Komponente verbundenen Kühlsystemen bzw. -kreisläufen vorhanden ist. Um die Wahrscheinlich­ keit für das Auftreten derartiger Fehler und Defekte zu minimieren, wäre es erstrebenswert, die thermische Wirksamkeit der Kühlschaltungen in diesen kritischen Komponenten zu messen, sobald die erste dieser Kompo­ nenten hergestellt ist. Die Ergebnisse dieser Messung würden dann dazu verwendet werden können, zu bestim­ men ob die tatsächliche thermische Wirksamkeit des Kühlkreislaufes mit der vorhergesagten Wirksamkeit oder dem Wirkungsgrad nahezu vollständig übereinstimmt oder eine weniger gute Übereinstimmung vorliegt, und ob die Auslegung des Kühlkreislaufes die Kühlanforde­ rungen der Komponente, in der der Kreislauf zu verwenden ist, erfüllt oder nicht.

Zur Zeit werden solche Messungen nicht durchge­ führt und derartige Meßergebnisse nicht gewonnen, weil kein praktikabler Weg zur Gewinnung dieser Meßergeb­ nisse bekannt ist. Infolgedessen wird der erste Photo­ typ einer Getriebeauslegung oder -konstruktion stets ohne vorhergehende Messungen der tatsächlichen thermi­ schen Wirksamkeit der Kühlkreisläufe betrieben.

Zusätzlich zu einem Bedarf der Messung der thermi­ schen Wirksamkeit der Kühlkreisläufe in der oben er­ läuterten Weise besteht auch ein Bedarf, bei der Her­ stellung von kritischen gekühlten Komponenten eine Prozeßsteuerung durchzuführen, sobald die Entscheidung für eine Kühlkreislaufauslegung getroffen worden ist. Mit anderen Worten besteht die Notwendigkeit, zu veri­ fizieren, daß jede gekühlte Komponente und ihre Kühl­ systeme die erforderliche thermische Wirksamkeit auf­ weisen. Dieser Bedarf könnte gedeckt werden, indem die tatsächliche thermische Wirksamkeit oder die thermische Wirksamkeit im Bauzustand jeder Komponente und ihrer Kühlkreisläufe gemessen werden. Wie im Fall des Ver­ gleichs der tatsächlichen Wirksamkeit der Kühlkreis­ läufe gegenüber Auslegungs- und Konstruktionsvorhersagen gibt es jedoch zur Zeit keinen praktikablen Weg hierfür.

Zusätzlich zur Ausbildung von Kühlpassagen in aus­ gewählten Komponenten weisen andere Komponenten eines Gasturbinentriebwerks Passagen oder Kanäle auf, durch die Heizfluid geführt wird, um derartige Komponenten selektiv zu erwärmen. So können z. B. ausgewählte Ab­ schnitte eines Gasturbinentriebwerks erwärmt oder er­ hitzt werden, um die thermische Ausdehnung dieser Ab­ schnitte des Triebwerks zu steuern. Dies wäre z. B. in Systemen anzustreben, die dazu dienen, den Spalt zwi­ schen den Spitzen der Schaufeln im Verdichter oder in der Turbine und dem die Schaufeln umgebenden Gehäuse zu steuern. Ferner wäre dies auch für den Fall anzu­ streben, bei dem es notwendig ist, die Temperatur von zwei Teilen des Triebwerks bzw. der Maschine zur Ver­ meidung von thermischen Spannungen und ähnlichen Effek­ ten auf dem gleichen Wert zu halten.

In der Vergangenheit wurde keinerlei Anstrengung unternommen, die tatsächliche gegenwärtige thermische Wirksamkeit oder die thermische Bauzutandswirksamkeit von Kühl- oder Heizkreisläufen vor dem endgültigen Zu­ sammenbau, der Ausstattung mit Instrumenten und des Betriebs eines Prototyptriebwerks zu messen. Es gibt zumindest zwei signifikante Nachteile dafür, sich lediglich auf derartige Maschinen- oder Triebwerkstests zu stützen, um die thermische Wirksamkeit des Bauzustands zu bestätigen, d. h. die gerade fertiggestellten Kühl­ kreisläufe zu überprüfen. Erstens kann ein Versagen der Heiz- oder Kühlsysteme bei der Erfüllung der ihrer Auslegung zugedachten Funktionen in einer Be­ schädigung oder Zerstörung der Maschine, in der sie be­ trieben werden, resultieren, was tatsächlich manchmal der Fall ist. Zweitens kann die Dauer des Zyklusses zur Konstruktion und Auslegung vom Beginn der ersten Ausle­ gung der Heiz- oder Kühlsysteme bis zur tatsächlichen Verifizierung der Angemessenheit ihrer Leistungsfähig­ keit viele Jahre betragen.

Infolgedessen besteht ein Bedarf an einem Test, der die Messung der thermischen Wirksamkeit von Heiz- oder Kühlkreisläufen einer Maschinenkomponente ge­ stattet, sobald die erste Komponente tatsächlich her­ gestellt ist, bevor sie in einer Maschine installiert und betrieben wird. Dies kann gemäß dem erfindungsge­ mäßen Verfahren und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen, wobei die Temperaturverteilung auf einer vorbestimmten, vorgewählten Oberfläche der Komponente gemessen wird, wenn die Komponente einer Kühlfluidströmung ausgesetzt wird, die vorbestimmte charakteristische Eigenschaften und Kenngrößen, wie eine oder mehrere der Eigenschaften einer vorbestimm­ ten Strömungsrate, einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Temperatur aufweist.

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prüfen der thermischen Wirksam­ keit oder Funktionsfähigkeit eines Heiz- oder Kühl­ systms einer gekühlten Komponente, wobei sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren den oben erläuterten Bedarf erfüllen. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung führt eine Heizeinrichtung einen vorbe­ stimmten Betrag oder eine vorbestimmte Menge einer Wärmeströmung oder eines Wärmeflusses auf eine Ober­ fläche der Komponente, die zu testen ist, und eine Strömungsfixiereinrichtung oder -konstruktion führt eine Kühlfluidströmung mit vorbestimmten Eigenschaften einem Kühlsystem innerhalb der Komponente zu. Eine Meßeinrichtung mißt die Temperaturverteilung auf einer vorgewählten Fläche der gekühlten Komponente zur Lieferung einer Anzeige der thermischen Wirksamkeit des Kühlsystems bzw. Kühlkreislaufs.

Soll die Wirksamkeit einer Heizschaltung geprüft werden, so wird ein Kühlfuidstrom mit vorbestimmten charakteristischen Eigenschaften dem Heizkreislauf zugeführt, und ein vorbestimmter Wärmefluß oder Heiz­ fluß wird einer vorbestimmten Oberfläche der Komponente zugeführt, d. h. auf diese gerichtet. Die Temperatur­ verteilung auf einer vorgewählten Oberfläche der Kom­ ponente wird gemessen, um die Anzeige der thermischen Wirksamkeit oder des Wärmewirkungsgrads des Heizsystems bzw. Heizkreislaufs anzuzeigen.

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

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel, die in Übereinstimmung mit den prinzipiellen erfindungsgemäßen Merkmalen getestet wird, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Turbinen­ schaufel aus Fig. 1 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Erfindung, eine Anordnung zum Messen oder Prüfen der thermischen Wirksamkeit oder Funktionsfähigkeit eines Kühlkreis­ laufs oder Kühlsystems in einer Turbinenschaufel 14, die in einem Gasturbinentriebwerk verwendet wird. Um diese thermische Prüfung durchzuführen, werden eine Anzahl von Temperaturmeßeinrichtungen an der äußeren Oberfläche der Schaufel befestigt oder in dieser Oberfläche eingebettet und in einer solchen Weise über die Oberfläche der Schaufel verteilt, daß die Messung der Ausgangssignale der Temperaturmeßeinrichtungen eine exakte Anzeige der Verteilung der Temperatur auf der Oberfläche der Schaufel liefert. So können bei­ spielsweise die Temperaturmeßeinrichtungen gleichmäßig über die gesamte äußere Oberfläche der Schaufel ver­ teilt sein. Sie können z. B. ungefähr von 3,175 mm bis zu 6,35 mm beabstandet angeordnet sein. Zwei dieser Temperaturmeßeinrichtungen sind in der Fig. 2 mit der Bezugszahl 9 versehen. Weitere nicht mit Bezugszeichen gekennzeichnete Meßeinrichtungen sind entlang des Umfangs der in Fig. 2 im Querschnitt gezeigten Schaufel dargestellt.

Ein Beispiel für die Temperaturmeßeinrichtungen ist eine Serie von Drahtthermopaaren oder -thermoele­ menten, die z. B. K Thermopaare sein können, die abgedeckt bzw. umkapselt, geerdet und mit MgO iso­ liert sind und Gehäuse aus rostfreiem Stahl oder Inconel aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung sind diese Thermopaare in in der Oberfläche der Turbinenschaufel ausgenommenen und eingearbeiteten Rillen eingebettet.

Wie weiter unten näher erläutert wird, kann die Temperatur der Schaufeloberfläche indirekt aus einer Messung der Oberflächentemperaturverteilung auf einer Heizeinrichtung abgeleitet werden, die auf der Ober­ fläche der Schaufel befestigt ist. Die Temperaturver­ teilung auf der Oberfläche der Heizeinrichtung kann auf verschiedenste Arten gemessen werden. Zum Beispiel schließen die Möglichkeiten die Verwendung einer Infrarotkamera zur Abbildung der Temperaturverteilung über der Heizeinrichtungsoberfläche, die Behandlung der Oberfläche der Heizeinrichtung mit einem Flüs­ sigkristallanstrich, der die Farbe bei einer festen bekannten Temperatur ändert, die Messung bzw. Ab­ fühlung oder Abtastung der Heizeinrichtungsoberfläche mit einem Temperaturmeßfühler und das Kleben einer Serie von filmartigen Thermopaaren auf der Oberfläche der Heizeinrichtung ein, wie sie beispielsweise von der RdF Corporation angeboten werden.

Zusätzlich zu den Einrichtungen zum Messen der Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Schaufel umfaßt die Vorrichtung in Fig. 1 eine Einrichtung zum Zuführen einer vorbestimmten Wärmefluß- oder Wärme­ strommenge auf einen vorbestimmten Oberflächenbereich der Schaufel. Diese Einrichtung umfaßt eine dünne, folienartige Widerstandsheizeinrichtung oder kurz Folienheizwiderstand 10, wobei diese Einrichtung eine Serie von dünnen filamentousartigen, faden- oder faserförmigen Leitern umfaßt, die durch und über eine nichtleitende dünne Lage verteilt sind und an elek­ trische Leitungen 12 angeschlossen sind. Diese Heiz­ einrichtungen können aus einer Vielzahl im Handel erhältlicher Heizeinrichtungen mit diesen Eigenschaf­ ten ausgewählt werden und beispielsweise den 50 Ohm- Heizeinrichtungen entsprechen, die von Minco mit der Nummer HK 131118742 vertrieben werden.

Die Folienheizeinrichtung 10 bedeckt die Tempe­ raturmeßeinrichtungen und ist auf der Oberfläche der Turbinenschaufel mit einem Klebe- oder anderen Haft­ mittel derart befestigt, daß sie in engem, sehr gutem Kontakt mit der Oberfläche steht. Die Heiz­ einrichtung 10 ist so dimensioniert, daß sie einen vorbestimmten Bereich, vorzugsweise möglichst nahe 100% der Oberfläche der Turbinenschaufel 14 be­ deckt, die normalerweise den heißen Gasen ausgesetzt ist, die durch das Gasturbinentriebwerk strömen. Das Verfahren der Befestigung der Heizeinrichtung auf der Oberfläche der Turbinenschaufel sollte so aus­ gewählt werden, daß ein geringer Wärmewiderstand zwi­ schen den Leitern in der Heizeinrichtung und der Oberfläche der Turbinenschaufel, die von der Heiz­ einrichtung bedeckt wird, vorliegt.

Wie oben bereits angedeutet, kann die Temperatur­ verteilung auf der Oberfläche der Schaufel aus der äußeren Oberflächentemperatur der Heizeinrichtung, d. h. der Temperatur des nichtleitenden Materials, in dem die Heizfasern oder Heizfäden eingehüllt sind, gefolgert werden. Die Oberflächentemperatur der Heiz­ einrichtung kann mittels einer Temperaturmeßeinrich­ tung 11 wie beispielsweise einem filmartigen Thermo­ paar gemessen werden, das z. B. von RdF Corporation angeboten wird und auf der Oberfläche der Heizeinrich­ tung befestigt wird, wie aus den Fig. 1 und 2 entnehmbar ist. Der Temperaturunterschied zwischen der Tempera­ tur der Heizfäden oder Heizfasern und der Oberfläche der Schaufel kann aus dem bekannten Wärmefluß, der der Oberfläche der Heizeinrichtung zugeführt wird und aus der elektrischen Eingangsleistung in die Heizeinrichtung und dem Oberflächenbereich der Heiz­ einrichtung bestimmbar ist, und dem Wärmewiderstand zwischen der Heizeinrichtung und der Schaufelober­ fläche abgeleitet werden, der unter Verwendung irgendeiner allgemein bekannten analytischen Technik ermittelbar ist.

Wenn die Temperaturverteilung unter Verwendung der Temperaturmeßeinrichtungen, die auf der Oberfläche der Schaufel wie in Fig. 2 befestigt sind, gemessen wird, so kann eine Isolationsschicht oder -lage, die nicht in den Figuren dargestellt ist, über der Film­ heizeinrichtung 10 plaziert werden, um Wärme, die normalerweise von der Turbinenschaufel wegfließt, auf die Oberfläche der Turbinenschaufel zu richten, die von der Heizeinrichtung bedeckt ist. Werden eine Infrarotkamera, ein Flüssigkristallanstrich oder ein Temperaturmeßfühler zur Messung der Temperatur­ verteilung auf der Oberfläche der Heizeinrichtung verwendet, so wird keine Isolationsschicht benutzt.

Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Basis der Turbinenschaufel in einer rechteckigen Öffnung in einer Strömungsbefestigungseinrichtung oder einem Einlaßplenum 16 installiert. Der Raum zwischen der Basis der Schaufel und dem Umfang der Öffnung ist mit einem Dichtungsmittel 17 gefüllt, um zu verhindern, daß Kühlfluid durch diesen Zwischenraum entweicht. Die Strömungsbefestigungs- oder Fixierein­ richtung 16 weist eine Einlaßöffnung bzw. einen Einlaßanschluß 18 zur Aufnahme von Kühlfluid, bei­ spielsweise Luft, aus einer Quelle mit unter Druck stehendem Fluid auf, die nicht in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Das Kühlfluid wird dem Einlaßan­ schluß unter Druck zugeführt und von hier aus in eine Serie von Kühlpassagen oder Kühlkanälen 20 geleitet, die in der Basis der Schaufel beginnen und am oberen Ende der Schaufel enden, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Fluidquelle ist so eingestellt, daß sie eine vorbestimmte Kühlmittelströmungsrate auf einer vorbestimmten Temperatur in die Kühlpassa­ gen 20 leitet, oder ist so eingestellt, daß sie am Einlaßplenum einen vorbestimmten Druck und eine vor­ bestimmte Temperatur des Kühlfluids liefert. Jede allgemein bekannte Quelle, die Fluid unter diesen Bedingungen zuführen kann, kann verwendet werden.

Nachdem die Turbinenschaufel in der Strömungs­ fixiereinrichtung installiert worden ist, kann die thermische Wirksamkeit des Kühlkreislaufs oder Kühl­ systems der Turbinenschaufel in der folgenden Weise überprüft werden. Zunächst wird Kühlfluid, das vor­ bestimmte Eigenschaften aufweist, in die Passagen innerhalb der Schaufel eingeleitet und ein vorbestimm­ ter Betrag oder eine vorbestimmte Menge an Wärme­ fluß wird auf die Schaufeloberfläche gerichtet. Dies kann erzielt werden, indem entweder die Kühlmittel­ strömungsrate und die Temperatur des Kühlmittels oder der Kühlmitteldruck und die Temperatur des Kühl­ mittels eingestellt werden und die elektrische Ein­ gangsleistung in die Heizeinrichtung entsprechend eingestellt wird. Ist der stabile Betriebszustand, beispielsweise nach einigen Minuten erreicht, so können Meßwerte aufgenommen werden, während Kühlmittel und Wärme zugeführt werden, wobei diese Meßwerte zur Bestimmung der thermischen Wirksamkeit des Kühlkrei­ ses verwendet werden können. Beispielsweise können die Heizeinrichtungsleistung, die Kühlmittelströmungsrate, die Temperatur und der Druck des Kühlmittels am Einlaß der Strömungsfixiereinrichtung, der Druck und die Tem­ peratur des Kühlmittels am Auslaß der Kühlpassagen in der Schaufel, die Temperatur der äußeren Oberfläche der Heizeinrichtung und die Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Schaufel gemessen werden. Es ist nicht wichtig, daß sämtliche dieser Messungen aufgenom­ men werden, solange die Messungen diejenigen sind, die zur Ableitung geeigneter Daten zur Überprüfung der tat­ sächlichen Leistungsfähigkeit des Kühlkreises gegenüber Auslegungs- und Konstruktionsvorhersagen benötigt werden.

Ein Beispiel für aufzunehmende Daten umfaßt die elektrische Eingangsleistung in die Heizeinrichtung, die Temperatur des Kühlfluids am Einlaß der Strömungsfixier­ einrichtung, die Strömungsrate des Fluids in diese Fi­ xiereinrichtung und die Temperaturverteilung über die Oberfläche der Schaufel. Aus der elektrischen Eingangs­ leistung in die Heizeinrichtung und dem Oberflächenbe­ reich der Heizeinrichtung kann die mittels der Heizein­ richtung zugeführte Wärmeflußmenge gewonnen werden. Die Temperaturverteilung liefert wichtige Information über die thermische Wirksamkeit des Kühlkreislaufs bei vorbe­ stimmten Pegeln der Temperatur und Strömungsrate oder des Drucks des Kühlmittels.

Die thermische Wirksamkeit oder Leistungsfähigkeit des Kühlkreises als Funktion des angewandten Wärmeflusses und der Kühlmitteleigenschaften kann so abgeleitet werden, ohne daß die Schaufel in einem Gasturbinentriebwerk in­ stalliert werden muß. Um eine Vorstellung davon zu be­ kommen, wie eine Komponente, beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Schaufel, in einer in Betrieb genommenen Maschine auf die dortigen Bedingungen reagiert, ist es am besten, diese Daten für die Bedingungen zu gewinnen, denen die Komponente in der in Betrieb genommenen Ma­ schine unterliegt. Wenn die Durchführung der Messung der thermischen Wirksamkeit unter solchen Bedingungen nicht möglich ist, wie es zumeist der Fall ist, können die Daten auch unter anderen Bedingungen aufgenommen werden. Die Daten können dann auf die tatsächlichen Ma­ schinen- oder Getriebebedingungen extrapoliert werden.

Die thermische Wirksamkeit des Kühlkreislaufs oder kurz Kühlkreises, wie sie durch die Temperaturver­ teilung über der Oberfläche der Schaufel angezeigt wird, kann eher oder auch sinnvoller mit Auslegungs- und Konstruktionsvorhersagen verglichen werden, sobald die Schaufel hergestellt ist, als nachdem das Getriebe zusammen­ gebaut und mit Instrumenten versehen mit der Schaufel betrieben wird. Jede mögliche Diskrepanz zwischen den gemessenen und vorhergesagten Oberflächentemperaturen wird korrigiert, indem die analytischen Eingangsgrößen in eine thermische Analyse, beispielsweise das im Handel erhältliche ANSYS Programm von Swanson Analysis Systems, Houston, Pennsylvania, eingestellt werden, wobei die Analyse mit den eingegebenen Eingangsgrößen dazu ver­ wendet wird, die thermische Wirksamkeit der Kühlkreis­ laufauslegung unter tatsächlichen Getriebebedingungen vorherzusagen. Diese Diskrepanz kann festgestellt werden, indem eine thermische Analyse mit vorbestimmten Pegeln vom Oberflächenwärmefluß und vorbestimmten Kühlmittel­ strömungsbedingungen durchgeführt wird, welche innerhalb der Schaufel während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der thermischen Wirksamkeit erwartet werden. Diese Analyse resultiert in einer berechneten Vorhersage oder Prädiktion der Oberflächentemperaturverteilung für die Schaufel während der Bedingungen bei der Messung der thermischen Wirksamkeit. Die berechneten Temperaturen aus der thermischen Analyse und die gemessenen Tempera­ turen aus einer tatsächlichen thermischen Messung, die auf den Pegeln des Oberflächenwärmeflusses und der Kühl­ mittelströmung durchgeführt wurde, welche in der thermi­ schen Analyse verwendet wurden, werden verglichen, und wenn irgendeine Diskrepanz oder eine Nichtübereinstimmung auftritt, werden die analytischen Eingangsgrößen, die in der Analyse verwendet werden, beispielsweise angenommene Wärmeübergangskoeffizientenverteilungen derart modifi­ ziert, daß zwischen den gemessenen Temperaturen und den vorhergesagten Temperaturen Übereinstimmung vorliegt. Eine thermische Analyse unter tatsächlichen Bedingungen, die in einer in Betrieb genommenen Maschine vorliegen und die oft wesentlich anders als die Bedingungen der Prozedur zur Messung der thermischen Wirksamkeit sind (bei der gemessene Temperaturen auf der Oberfläche einer Turbinenschaufel 149°C (300°F) nicht überschreiten werden, wohingegen die Temperatur in einem Triebwerk in der Größenordnung von 1093°C (2000°F) liegen kann), kann dann unter Verwendung der modifizierten analyti­ schen Eingangsgrößen durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine Vorhersage der Schaufeltemperaturver­ teilung unter Maschinen- bzw. Getriebedingungen auf der Grundlage einer tatsächlichen thermischen Wirksam­ keit des Kühlkreises gemacht werden. Dies ist ein ein­ facher und genauer Weg, um sicherzustellen, daß die Auslegung der Kühlschaltung auch dann adequat ist, wenn die Komponente innerhalb einer Maschine bzw. einem Triebwerk installiert ist und betrieben wird.

Zusätzlich zur Treffung von Vorhersagen der ther­ mischen Wirksamkeit unter Maschinenbedingungen kann eine Diskrepanz zwischen der gemessenen und berechneten Temperatur auch die Grundlage zur neuen Auslegung und anderen Gestaltung des Kühlkreislaufes sein, so daß durch die neue Auslegung die Zielsetzungen erfüllt werden, für die der Kühlkreislauf ausgelegt wird.

In der Produktion kann das Ergebnis der oben erläuterten thermischen Prüfung dazu verwendet werden, die Angemessenheit der Verfahrensschritte zur Herstel­ lung der Komponenten zu überwachen, welche der thermi­ schen Prüfung unterworfen werden. Jede Komponente, die entsprechend dem Herstellungsprozeß gefertigt worden ist und einen defekten Kühlkreislauf aufweist, wird identifiziert, wenn die gemessenen Temperaturvertei­ lungen nicht mit den erwarteten Temperaturverteilungen übereinstimmen.

Es können neben der in den Fig. 1 und 2 gezeigten gekühlten Turbinenschaufel andere Komponenten der er­ findungsgemäßen thermischen Prüfung unterzogen werden. Unter anderen Komponenten ist die Erfindung auf jede mögliche gekühlte Komponente einer Maschine oder eines Triebwerks anwendbar. Insbesondere ist die Erfindung ebenfalls auf Komponenten anwendbar, die interne Passagen für eine Kühlfluidströmung aufweisen, wie beispielsweise Schaufeln, Leitschaufeln und Abdeckungen bzw. Deckbänder im Gasturbinentriebwerk. Auch kann die Wirksamkeit von Kühlkreisläufen durch die Erfindung getestet werden, welche das Blasen von Kühlfluid über die äußere Oberfläche der getesteten Komponente ein­ schließen. Es ist lediglich erforderlich, eine Möglich­ keit der Zufuhr eines Kühlmittelflusses mit vorbestimm­ ten Eigenschaften zur Komponente vorzusehen, ferner die Zuführung eines bestimmten Betrages oder einer bestimm­ ten Menge an Heiz- oder Wärmefluß zur Komponente und die Messung einer Temperaturverteilung auf einer Ober­ fläche der Komponente.

Die thermische Prüfung, die in dieser Anmeldung erläutert wurde, kann auch für den Fall angewandt wer­ den, der eine Komponente einschließt, die einen internen oder externen Kreislauf zur Erwärmung der Komponente aufweist. Beispielsweise kann die Prüfung auf eine Komponente in Form des hinteren Rahmenkörpers der Turbine in einem Gasturbinentriebwerk angewandt werden. Ein solcher Rahmenkörper weist innere Passagen oder Kanäle auf, durch die aufgeheiztes oder erwärmtes Fluid strömen kann, so daß die thermische Expansion und Kon­ traktion des Rahmenkörpers steuerbar sind. Die thermische Prüfung ist auch auf Getriebekomponenten anwendbar, die zur Steuerung des Spaltes zwischen Schaufelspitzen und Gehäuseteilen verwendet werden.

Beim Prüfen der Wirksamkeit des Heiz- oder Wärmekreis­ laufs oder zur Verifizierung der Angemessenheit eines Herstellungsprozesses, der einen solchen Heizkreislauf einschließt, wird dasselbe, oben beschriebene Verfahren zur Messung der thermichen Wirksamkeit oder Wärmewirk­ samkeit wie für die gekühlten Komponenten verwendet. In einem Beispiel wird eine bekannte Wärmeflußmenge der Kom­ ponente mittels Variation der elektrischen Eingangslei­ stung in einer Heizeinrichtung zugeführt, die auf einer vorbestimmten Oberfläche der Komponente befestigt ist. Eine Kühlfluidströmung mit vorbestimmten Eigenschaften wird in den Heizkreislauf eingebracht und die Temperatur­ verteilung über einer vorgewählten Oberfläche wird darauf­ hin in der für Kühlkomponenten beschriebenen Weise gemes­ sen. Die gemessene Temperaturverteilung ist eine Anzeige der Wärmewirksamkeit der Heizkreislaufauslegung entspre­ chend dem Fall der oben erläuterten gekühlten Komponente. Auch wenn die Richtung des Wärmeflusses unter Testbedin­ gungen entgegengesetzt zu der bei tatsächlichen Betriebs­ bedingungen ist, wird kein signifikanter Fehler bei der Bestimmung der thermischen Wirksamkeit der Heiz- oder Wärmekreisläufe unter Verwendung der erfindungsgemäßen Merkmale eingeführt.

Claims (42)

1. Vorrichtung zum Messen der thermischen Wirksamkeit einer Komponente, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (10) zum Zuführen einer vorbestimm­ ten Wärmeflußmenge auf eine vorbestimmte Oberfläche der Komponente (14);
eine Einrichtung (18, 20), die der Komponente eine Kühlfluidströmung zuführt, die vorbestimmte Eigenschaften aufweist; und
eine Einrichtung (11) zum Messen einer Temperatur­ verteilung auf einer vorgewählten Oberfläche der Kom­ ponente, während dieser die vorbestimmte Wärmefluß­ menge und der Kühlfluidstrom mit den vorbestimmten Eigenschaften zugeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen einer vorbestimmten Wärmeflußmenge eine Widerstands-Folienheizeinrichtung umfaßt, die auf der vorbestimmten Oberfläche der Kom­ ponente befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen einer Temperaturverteilung mehrere Thermopaare umfaßt, die auf der vorgewählten Oberfläche der Komponente befestigt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermopaare in der vorgewählten Oberfläche der Komponente eingebettet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen einer vorbestimmten Wärme­ flußmenge eine Widerstands-Folienheizeinrichtung, die die Thermopaare (10) bedeckt, und eine Vorrichtung zum Variieren der elektrischen Eingangsleistung in die Widerstands-Folien­ heizeinrichtung umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen einer Temperaturverteilung eine Vorrichtung zum Messen der Temperaturverteilung auf einer vorbestimmten Oberfläche der Wärmeflußzufuhreinrich­ tung (10) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen einer Temperaturverteilung auf einer vorbestimmten Oberfläche der Wärmeflußzufuhr­ einrichtung filmartige Thermopaare aufweist, die auf einer vorbestimmten Oberfläche der Wärmeflußzufuhreinrichtung befestigt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der Temperaturverteilung auf einer vorbestimmten Oberfläche der Wärmeflußzufuhr­ einrichtung eine Infrarotkamera aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der Temperaturverteilung auf einer vorbestimmten Oberfläche der Wärmeflußzufuhr­ einrichtung einen Flüssigkristall aufweist, der auf einer vorbestimmten Oberfläche der Wärmeflußzufuhreinrichtung befestigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18, 20) zum Zuführen einer Kühl­ fluidströmung zur Komponente (14) eine Vorrichtung zum Zuführen von Kühlfluid zur Komponente auf einer vorbe­ stimmten Temperatur und mit einer vorbestimmten Strö­ mungsrate aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen eines Kühlfluidstroms zur Komponente (14) eine Vorrichtung zum Zuführen von Kühlfluid zur Komponente auf einer vorbestimmten Tempera­ tur und unter einem vorbestimmten Druck aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (14) eine oder mehrere innere Passagen (20) für die Strömung des Fluids aufweist und daß die Einrichtung zum Zuführen der Kühlfluidströmung zur Kom­ ponente eine Kühlfluidströmung durch die Passagen in der Komponente leitet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die Passagen Kühlpassagen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Passagen Heizpassagen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (14) eine Turbinentriebswerkskomponente ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Komponente (14) eine gekühlte Komponente in einem Gasturbinentriebwerk ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine erwärmte Komponente in einem Gasturbinentriebwerk ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (14) eine Turbinenschaufel mit internen Kühlpassagen (20) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente der rückwärtigen Rahmenkörper der Turbine in einem Gasturbinentriebwerk ist.

20. Verfahren zum Messen der thermischen Wirksamkeit einer Komponente, gekennzeichnet durch die Schritte des:
Zuführens einer vorbestimmten Wärmeflußmenge zu einer vorbestimmten Oberfläche einer Komponente;
Zuführens einer Kühlfuidströmung, die vorbestimmte Eigenschaften aufweist, zur Komponente; und
Messens einer Temperaturverteilung auf einer vorge­ wählten Oberfläche der Komponente, während der Komponente die vorbestimmte Wärmeflußmenge und die Kühlfluidströmung mit den vorbestimmten Eigenschaften zugeführt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zuführens von Wärmefluß zur vorbe­ stimmten Oberfläche der Komponente den Schritt der Befe­ stigung einer Widerstands-Folienheizeinrichtung auf der vorbestimmten Oberfläche der Komponente und die Einspeisung einer vorbestimmten elektrischen Leistungs­ menge in die Widerstands-Folienheizeinrichtung umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschritt die Befestigung einer Anzahl von Thermopaaren auf der vorgewählten Oberfläche der Kom­ ponente und die Messung der Ausgangssignale der Thermo­ paare umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Befestigens die Einbettung der Thermopaare in die vorgewählte Oberfläche der Komponente umfaßt.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet daß der Schritt der Zufuhr einer vorbestimmten Wärme­ flußmenge auf eine vorbestimmte Oberfläche der Komponente die Abdeckung der Thermopaare mit einer Widerstandsheiz­ einrichtung und die Variation der elektrischen Eingangs­ leistung in die Widerstandsheizeinrichtung umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschritt den Schritt der Messung der Temperatur­ verteilung über einer vorbestimmten Oberfläche einer Heiz­ einrichtung umfaßt, die dazu verwendet wird, die vorbe­ stimmte Wärmeflußmenge der vorbestimmten Oberfläche der Komponente zuzuführen .

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Messung der Temperaturverteilung über einer vorbestimmten Oberfläche einer Heizeinrichtung den Schritt der Anbringung von filmartigen Thermopaaren auf der vorbestimmten Oberfläche der Heizeinrichtung und der Messung der Ausgangsgrößen der Thermopaare umfaßt.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Messens der Temperaturverteilung über einer vorbestimmten Oberfläche einer Heizeinrichtung den Schritt des Abbildens der Temperaturverteilung über der vorbestimmten Oberfläche der Heizeinrichtung mit einer Infrarotkamera umfaßt.

28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Messens der Temperaturverteilung über einer vorbestimmten Oberfläche einer Heizeinrichtung den Schritt des Befestigens eines Flüssigkristalls auf der vorbestimmten Oberfläche der Heizeinrichtung und der Beobachtung der Farbe des Flüssigkristalls umfaßt.

29. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Zuführung einer Kühlfluidströmung zur Komponente den Schritt der Leitung des Kühlfluids zur Komponente auf einer vorbestimmten Temperatur und mit einer vorbestimmten Strömungsrate umfaßt.

30. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Zuführung einer Kühlfuidströmung zur Komponente den Schritt der Leitung von Kühlfluid zur Komponente auf einer vorbestimmten Temperatur und unter einem vorbestimmten Druck umfaßt.

31. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Zuführung einer Kühlfluidströmung zur Komponente den Schritt der Einspeisung der Kühlfluidströ­ mung durch eine oder mehrere Passagen in die Komponente umfaßt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Passagen Kühlpassagen sind.

33. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Passagen Heizpassagen sind.

34. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine Turbinentriebswerkskomponente ist.

35. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine gekühlte Komponente in einem Gasturbinentriebwerk ist.

36. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine erwärmte Komponente in einem Gasturbinentriebwerk ist.

37. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet daß die Komponente eine Turbinenschaufel ist, die interne Kühlpassagen enthält.

38. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet daß die Komponente der rückwärtige Rahmenkörper der Turbine in einem Gasturbinentriebwerk ist.

39. Verfahren nach Anspruch 20, ferner gekennzeichnet durch die Schritte des:
Durchführens einer thermischen Analyse auf der Grund­ lage der vorbestimmten Wärmeflußmenge und der vorbestimm­ ten Eigenschaften der Kühlfluidströmung zur Ableitung einer vorhergesagten Temperaturverteilung;
Vergleichens der vorhergesagten Temperaturverteilung mit der gemessenen Temperaturverteilung; und
Anpassens einer oder mehrerer analytischer Eingangs­ größen, die in der thermischen Analyse verwendet werden, auf der Grundlage des Vergleichsschritts.

40. Verfahren nach Anspruch 39, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der Durchführung einer thermischen Analyse unter Verwendung der angepaßten analytischen Eingangs­ größen.

41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Analyse, die die angepaßten analyti­ schen Eingangsgrößen verwendet, auf erwarteten Bedingungen basiert, der die Komponente im tatsächlichen Betrieb unterliegen wird.

42. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die analytischen Eingangsgrößen eine Wärmeübergangs­ koeffizientenverteilung einschließen.