EP1472035A1

EP1472035A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzielen eines bestimmten durchflusswiderstandes eines str mungskanals

Info

Publication number: EP1472035A1
Application number: EP03737266A
Authority: EP
Inventors: Peter Gosger; Armin Walther; Patrick Matt; Alfred Ernst
Original assignee: Extrude Hone GmbH
Current assignee: Extrude Hone GmbH
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-11-03
Also published as: WO2003066263A1; AU2003210177A1; US20050076488A1; DE10204952A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals 1, insbesondere einer Öffnung in einem Bauteil 2 und umfasst folgende Verfahrensschritte: Ein Fluid 3 strömt durch den Strömungskanal 1 es wird eine Kenngröße bestimmt, die vom Durchflusswiderstand des Strömungskanals 1 in dem Bauteil 2 abhängt der Strömungskanal 1 wird mit einem Arbeitsverfahren solange bearbeitet, bis die Kenngröße einen vorgegebenen Sollwert erreicht und zeichnet sich dadurch aus, dass die Kenngröße aus einer ersten Messgröße und einer zweiten Messgröße bestimmt wird, wobei zugelassen wird, dass sich die erste Messgröße und die zweite Messgröße zeitlich ändern.Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein bestimmter Durchflusswiderstand eines Strömungskanals in Bauteilen wie Vergaserdüsen oder Gasturbinenschaufeln mit hoher Präzision erzielt werden kann, ohne dass weder besonders bauliche Anforderungen an die Beschaffenheit der verwendeten Einrichtung zur Erzeugung eines Fluidstroms noch dass Druck oder Durchflussraten stabilisierende Mittel erforderlich sind, wie dies bislang im Stand der Technik vorgeschlagen ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals, insbesondere einer Öffnung in einem Bauteil.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Bearbeiten und Dimensionieren von Strömungskanälen, insbesondere von Öffnungen oder Mündungen, vorzugsweise von kleinen Öffnungen, bei denen es darauf ankommt, einen kritischen Durchflusswiderstand zu erzielen, wie auch die genaue Angleichung von Durchflusswi- derständen bei einer Anzahl solcher Strömungskanäle.

Die Bedeutung des Strömungswiderstandes eines Strömungskanals ist allgemein bekannt. Beispiele sind unter anderem Einspritzdüsen-Endstücke für Brennstoff, Vergaser-Düsen, Durchfluss von Kühlluft durch Bestandteile von Turbinen, Do- sieren von Schmieröl für Präzisionslager und dergleichen. Bei vielen solcher Anwendungen hat ein genaues Zumessen von Durchflussmengen sehr große Bedeutung, bringt jedoch infolge Herstellungsbegrenzungen erhebliche Schwierigkeiten mit sich. Selbst sehr geringe Unterschiede bei den Fertigungstoleranzen können große Veränderungen beim Durchflusswiderstand und bei der Strömung hervorru- fen.

Des weiteren werden Teile häufig aus einem Material gegossen oder gefertigt, das wegen besonderer Eigenschaften ausgewählt ist, wie Leitfähigkeit oder Isolierwirkung für Wärme oder Elektrizität, geringes Gewicht, Ausdehnungskoeffizient beim Erwärmen oder Kühlen, Kosten usw., wobei aber ein unterschiedlicher Anforderungsrahmen hinsichtlich der Innenfläche der Öffnung besteht. Diese beson- deren Anforderungen an den inneren Durchgang lassen sich durch Plattieren oder Überziehen mit einem Metall erfüllen, das die gewünschten Eigenschaften hat. Plattieren kann durch Elektroplattieren oder stromloses (autokatalytisches) Plattieren erfolgen, während das Überziehen durch Aufdampfen unter Verwendung eines Trägergases oder eine andere derartige Technik geschehen kann. Stromloses Plattieren oder Aufdampfen ist generell zum Plattieren oder Überziehen der inneren Fläche von Gussteilen, von Bohrungen und dergleichen vorzuziehen, wo sekundäre Kathoden für ein gleichmäßiges Elektroplattieren sehr schwer zu platzieren sind.

Teile mit Durchπussöffnungen für ein Fluid werden durch mannigfaltige Gieß- und maschinelle Bearbeitungsoperationen hergestellt. So werden beispielsweise Präzisions-Formguss- Verfahren hoher Güte für die Fertigung solcher Teile angewendet. Nichtsdestoweniger ergeben sich bei derartigen Teilen gewisse Unter- schiede in den Abmessungen, insbesondere hinsichtlich der Wandstärken, die auf geringe Fluchtungsfehler beim Kern oder auf eine Versetzung des Kernes zurückzuführen sind, weiterhin auch Schwankungen in der Oberflächenbeschaffenheit, einschließlich der Rauhigkeit der Oberfläche, von Grübchen, Scharten, Rillen, Blasen oder Positivmetall. Im Extremfall kann ein sehr kleiner Riss im Kern zu einer dünnen Wand führen, die in einen inneren Durchlass hinein vorsteht. Alle diese Faktoren können den Strom des Fluids wesentlich verändern.

Gegenwärtig angewendete Bearbeitungsverfahren, wie elektrische Erosions- Bearbeitung und Bohren mittels Laser oder weniger übliche Techniken wie Boh- ren mittels Elektronenstrahls, elektrischem Strom und sog. STEM-Bohren (eine ECM-Technik, welche ein säurehaltiges Fluid nutzt) sind nicht hinreichend genau, als dass sie die Entstehung von wesentlichen Veränderungen beim Durchfiusswi- derstand vermeiden könnten. Sogar das genaueste dieser Verfahren, die Elektroe- rosions-Bearbeitung, wird keinen perfekt gleichmäßigen Durchflusswiderstand ergeben, weil die Länge eines inneren Durchlasses infolge des angewandten Bear- beitungsvorganges variieren kann, was Anlass zu Schwankungen der gesamten Lochlänge und des Durchflusswiderstandes ist, ungeachtet der Gleichmäßigkeit des Lochdurchmessers. Des weiteren sind ungleichmäßige Bedingungen bei der Elektroerosions-Bearbeitung unvermeidbar und können zu Änderungen hinsicht- lieh der Größe, der Form, des Oberflächenendzustandes und dem Zustand am Rand des Loches führen.

Zu plattierende oder zu überziehende Öffnungen müssen in ausreichendem Maße überdimensioniert werden, um eine entsprechende Dicke der Plattierung oder des Überzuges zuzulassen, und die endgültige Genauigkeit hängt von den exakten Berechnungen für die Plattierungs- oder Überzugsraten und von der Genauigkeit bei den Bohr- und Plattierungsoperationen ab. Das mit der gegenwärtigen Technologie erzielbare Produkt hat für die meisten industriellen hochgenauen Anwendungen keine ausreichende Gleichmäßigkeit. Somit ergibt sich eine Einschrän- kung der Wahlmöglichkeiten des Herstellers zur Fertigung des gesamten Teiles aus Materialien mit den für die Öffnung erwünschten Eigenschaften oder zum Einbetten gebohrter Teile mit vorgeschriebenen Eigenschaften in zu deren Aufnahme ausgebildeten Gussstücken. Diese Techniken haben die mit dem Bohren verbundenen Genauigkeitsprobleme, wie oben erörtert wurde. Das Plattieren von Öffnungen, die in ein Material gebohrt sind, mit Metall unterschiedlicher Eigenschaften oder sogar mit dem gleichen Metall in der Weise, dass sich ein Genauigkeits-Strom ergibt, eröffnet bei der Herstellung vieler Teile neue Wahlmöglichkeiten.

In vielen Bereichen werden die den Bohroperationen innewohnenden Abweichungen notwendigerweise in weiten Grenzen hingenommen, und die damit verbundenen Kompromisse hinsichtlich der konstruktiven Freiheit, der Ausführung und der Leistung werden als unvermeidbar in Kauf genommen. Beispielsweise erfordert die Abgabe von Brennstoff-Chargen bei Verbrermungskrafτmaschinen durch Druck-Einspritzung des Brennstoffs die Zumessung des Stromes durch Du- sen. Eine größere Genauigkeit bei der Regulierung des Stromes wird eine höhere Ausnutzung des Brennstoffs, Wirtschaftlichkeit und Genauigkeit des Arbeitens der Maschine ermöglichen. Zur Zeit basiert die Ausbildung solcher Brennstoff- Zumesssysteme oft auf der Messung des tatsächlichen Durchflusswiderstandes und einer Aufteilung der Lagerbestände in Bereiche von Durchfluss-Parametern, um wenigstens annähernd ein Zueinanderpassen von Teilen in einem Lagerbestand innerhalb eines Bereiches der Abweichung von vorgegebenen Toleranzen zu erreichen. Ein solches Vorgehen ist wegen der erheblichen Lagererfordernisse außerordentlich aufwendig. Außerdem fällt eine wesentliche Menge an Teilen aus dem Bereich der zulässigen Abweichungen heraus und muss mit großen Kosten nachgearbeitet werden oder ausgeschieden werden.

In der Vergangenheit wurden Brennstoff-Einspritzdüsen so gefertigt, dass die kritischen Zumessöffnungen für die Strömung durch Elektroerosions-Bearbeitung gebildet werden. Weil eine Vielzahl von Bauteilen immer kleiner dimensionierte Strömungskanäle aufweisen, welche zu kalibrieren, d.h. auf einen bestimmten Durchflusswiderstand einzustellen sind, kommt vermehrt der Homogenisierung im wesentlichen der Eintrittskante des Strömungskanals eine immer größere Be- deutung zu, denn je kleiner ein Strömungskanal dimensioniert ist, desto weniger ist ein vorrichtungstechnisches Vorgehen ermöglicht.

Ein anderes Beispiel, bei dem ein Durchflusswiderstand bei einer Öffnung von besonders kritischer Bedeutung ist, stellt die Schaffung eines Kühlluftstromes durch Gasturbinen-Bauteile, wie Turbinenschaufeln, dar. Im Präzisionsguss her- gestellte Turbinenschaufeln sind typischerweise so gegossen oder gebohrt (mittels Laser-Bohren, sog. STEM-Bohren oder Elektroerosions-Bearbeitung), dass sich eine Anzahl von Löchern ergibt, die typischerweise einen Nenndurchmesser von ungefähr 0,3 mm bis 0,8 mm haben und die von dem inneren Durchlass bis in die Nähe der Profilvorderkante, der Profiüiinterkante und zu irgendeiner Stelle längs des Schaufelprofils verlaufen. Kühlluft wird aus dem Inneren durch die zahlrei- chen Löcher hinaus in den eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasstrom gedrückt, um eine Kühlung der Schaufel zu erzielen. Bisweilen bemessen Löcher in inneren Wänden der Schaufel die Verteilung der Kühlluft. Es leuchtet ein, dass Änderungen im Durchflusswiderstand unterschiedliche Kühlwirkungen zur Folge haben können, was zu heißen Stellen führen kann, welche das Wärmegleichgewicht innerhalb der Komponenten und der Maschine selbst verändern und sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Komponente beeinflussen können. Die Anwendung von Kühlluft sollte jedoch gering gehalten werden, weil eine übermäßige Verwendung den Wirkungsgrad der Maschine dadurch verringert, dass dem Kompressorteil Energie „gestohlen" wird. Eine präzisere Einregulierung des Durchflusswiderstandes dieser Durchlässe kann einen erheblichen Nutzungsgewinn beim Einsatz solcher Komponenten sowie der Einheiten, in denen sie eingebaut sind, erbringen.

Zusätzlich zu Köpfen für Brennstoff-Einspritzdüsen, Vergaser-Düsen, zum Durchfluss von Kühlluft durch Bauteile von Turbinen und zum Zumessen von Schmieröl für Lager gibt es zahlreiche andere Einsätze von Durchlässen oder Öffnungen zur Strömungsregulierung oder -Steuerung, bei denen die vorliegende Erfindung anwendbar ist.

Aus der EP 0441 887 Bl ist bereits ein Verfahren zur Behandlung von Öffnungen zur Erzielung eines bestimmten Durchflusswiderstandes bekannt, bei dem ein Arbeitsfluid, mit dem eine Öffnung bearbeitet wird, durch eine Öffnung fließt und bei konstantem Druck (alternativ: konstante Durchflussrate) die sich im Verlauf der Bearbeitung ändernde Durchflussrate (alternativ: ändernder Druck) gemessen wird. Sobald die Durchflussrate einen bestimmten Wert erreicht bzw. der Druck auf einen bestimmten Wert absinkt, wird das Bearbeitungsverfahren abgebrochen. Zwar können mit diesem Verfahren Durchflusswiderstände der Öffnung hinsichtlich eines Fluids genau eingestellt werden, doch erweist sich die Vorgabe eines konstanten Druckes bzw. einer konstanten Durchflussrate als aufwendig. Damit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals sowie eine verbilligtere, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignete, Vor- richtung zu schaffen, mittels welcher ein Strömungskanal eines Bauteils präzise und mit insbesondere baulich weniger aufwendigen Mitteln als im Stand der Technik vorgeschlagen hinsichtlich seines Durchflusswiderstandes eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals, insbesondere eine Öffnung in einem Bauteil, umfasst folgende Schritte: ein Fluid strömt durch den Strömungskanal; es wird eine Kenngröße bestimmt, die vom Durchflusswiderstand des Strömungskanals in dem Bauteil abhängt; der Strömungskanal wird mit einem Arbeitsverfahren solange bearbeitet, bis die Kenngröße einen vorgegebenen Sollwert erreicht; und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße aus einer ersten Messgröße und aus einer zweiten Messgröße bestimmt wird, wobei zugelassen wird, dass sich die erste Messgröße und die zweite Messgröße zeitlich ändern.

Der Durchflusswiderstand des Strömungskanals ist analog zum elektrischen Widerstand eines elektrischen Leiters zu verstehen. Allgemein wirkt der Durchflusswiderstand des Strömungskanals der Strömung eines Fluid, das durch den Strömungskanal fließt entgegen. Dieses führt dazu, dass bei Anlegen einer Druckdif- ferenz an den Enden des Strömungskanals ein Fluidstrom durch den Strömungs- kanal mit einer bestimmten Durchflussrate fließt, wobei die Durchflussrate durch den Durchflusswiderstand bestimmt wird. Der Durchflusswiderstand kann beispielsweise definiert werden durch den Quotienten aus der über den Strömungskanal abfallenden Druckdifferenz und der Durchflussrate. Die Durchflussrate kann je nach Anwendungsfall verschiedene Einheiten aufweisen, z.B. die eines Volumenstroms, eines Massenstroms, oder eines Teilchenstroms.

Durch die Bestimmung zweier Messgrößen wird eine Kenngröße bestimmt, die ein Maß für den Durchflusswiderstand darstellt. Dabei muss die Kenngröße nicht notwendigerweise proportional zum Durchflusswiderstand sein. Es reicht, wenn die Kenngröße lediglich von dem Durchflusswiderstand abhängt. Vorzugsweise besteht eine eindeutige, besonders bevorzugt eine eineindeutige, Zuordnung zwischen Durchflusswiderstand und Kenngröße. Die Kenngröße kann nichtlinear von dem Durchflusswiderstand abhängen.

Als Messgröße kann die über den Strömungskanal wirkende Druckdifferenz sowie die Durchflussrate durch den Strömungskanal gemessen werden. Die Durchflussrate kann mit Hilfe eines kalibrierten Widerstandes und einer Druckmessung erfolgen. Auch ist es möglich, dass mindestens eine der beiden Messgrößen durch eine Kombination aus einer Druclαnessung und einer Durchflussratenmessung bestimmt wird. Dieses ist beispielsweise der Fall, wenn eine Leistung gemessen wird. Eine Leistung, wie sie in der Elektrotechnik definiert wird, ist in der Fluid- dynamik analog das Produkt aus Druck und Durchflussrate. Der Begriff Messgröße ist somit allgemein aufzufassen. Wichtig ist, dass zwei Messgrößen gemessen werden, um die zeitlichen Fluktuation herausrechnen zu können, so dass ein Maß, wie es die Kenngröße darstellt, für den Durchflusswiderstand durch den Strömungskanal gefunden werden kann.

Die zeitlichen Variationen werden eliminiert, indem zur Bestimmung der Kenn- große ein Quotient aus der zeitaufgelöst gemessenen Durchflussrate und dem zeit- aufgelöst gemessenen Druck gebildet wird. Dieses ermöglicht im Gegenzug eine sehr viel höhere Fluktuationstoleranz bei der Bestimmung der Kenngröße und zeitliche Fluktuationen bzw. Variationen können hingenommen werden, ohne, dass die Einstellung des Strömungskanals in negativer Weise beeinflusst wird. In der Folge werden Druck- bzw. Durchflussraten stabilisierende Mittel überflüssig, wodurch das Verfahren erheblich vereinfacht und damit sicherer sowie preiswerter wird.

Der Strömungskanal wird mit einem Arbeitsverfahren bearbeitet, bis die Kenn- große einen vorgegebenen Sollwert erreicht. Das Arbeitsverfahren zur Bearbeitung des Strömungskanals wird Vorteilhafterweise aus der Gruppe chemische Bearbeitung, hydroabrasive Bearbeitung, mechanische Bearbeitung, elektrochemische Bearbeitung (ECM), Elektroerosions-Bearbeitung, Elektroplattieren, stromloses Plattieren, Beschichten, und Aufdampfen ausgewählt. Mit diesen Ar- beitsverfahren können kleine Strömungskanäle mit Öffnungsdurchmessern von wenigen Zehntel Mikrometern in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren präzise bearbeitet und eingestellt werden, wobei der Strömungskanal in seinen geometrischen Abmaßen so verändert wird, dass je nach Wahl des Arbeitsverfahren der Durchflusswiderstand während der Bearbeitung zu- oder abriimmt, und wobei mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Durchflusswiderstände eines Strömungskanals, beispielsweise von Vergaserdüsen oder Gasturbinenbauteile präzise mit Toleranzen von besser 1 % eingestellt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Messgröße durch Messung eines Druckes oder durch Messung einer Durchflussrate oder durch Messung einer Kombination von Druck und Durchflussrate bestimmt. Eine Kombination von Druck und Durchflussrate stellt beispielsweise eine Leistung dar, die das Produkt aus Druck und Durchflussrate ist. Auch mit einer Druckmessung und einer Leistungsmessung kann der Quotient zur Bestimmung der Kenngröße ermittelt wer- den. Die Messung eines Druckes des Fluids kann gegenüber dem Umgebungsdruck der Atmosphäre erfolgen. Übliche mittlere Drücke zur Bearbeitung des Bauteils auf üblicherweise aus Edelstahl gefertigten Vorrichtungen liegen vorzugsweise über 20 bar, insbesondere bei über 50 bar, besonders bevorzugt bei über 70 bar.

Alternativ hierzu wird erfindungsgemäß bevorzugt ein mittlerer Bearbeitungsdruck zwischen 3 bis 8 bar, vorzugsweise 4 bis 6, insbesondere 5 bar vorgeschlagen, womit in vorteilhafter Weise je nach gewähltem Druck besondere wie auch gewöhnliche Kunststoffe vorrichtungstechnisch Verwendung finden können, also insbesondere die Zuführleitungen beispielsweise aus handelsüblichen PVC- Rohren gefertigt sein können.

Vorteilhafterweise werden beide Messgrößen in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Strömungskanal und/oder in Bearbeitungspausen erfasst. Durch das Erfassen einer Messgröße in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Strömungskanal wird sichergestellt, dass von dem Bauteil sich lösende Partikel nicht die Messung beeinträchtigen, insbesondere sich nicht in oder an den Sensoren festsetzen oder aufgrund der mit den Partikeln verbundenen Dichteschwankungen des Fluids Feh- 1er bei der Messung der Durchflussrate verursachen. Durch das Erfassen der Messgrößen in Bearbeitungspausen, d.h. in Zeiträumen von z.B. 3 bis 5 Sekunden, in welchen keine elektrische Spannung zwischen Kathode und dem Bauteil anliegt und Material abgetragen wird, kann der Bearbeitungsprozess in vorteilhafter Weise beeinflusst werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, zusätzlich auch die Kathode(n) während der Bearbeitungspausen aus den Strömungskanälen kurzfristig zu entfernen, um die sich während einer Bearbeitung ändernde Charakteristik des Fluids hinsichtlich seines Durchflusses einerseits sowie hinsichtlich seiner Reaktion zu Eisenhydrooxid und Wasserstoff andererseits zu eliminieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sollwert für eine vorgebbare mittlere Durchflussrate und/oder für einen vorgebbaren mittleren Druck bestimmt. Hiermit wird sichergestellt, dass die Kenngröße ein sinnvolles Maß für den Durchflusswiderstand darstellt und Fehler bei der Be- Stimmung der Kenngröße aufgrund nichtlinearer Strömungseigenschaften des Fluids, z. B. aufgrund Turbulenzen bei hohen Durchflussraten, vermieden werden. Zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit ist es zur Vermeidung nichtlinearer Störeffekte von Vorteil, wenn die Schwankungsbreite der zeitlichen Fluktuationen kleiner als der Schwankungsmittelwert sind, insbesondere kleiner als 30 %, vor- zugsweise kleiner als 20 % des Schwankungsmittelwertes.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sollwert mit Hilfe eines Masterobjekts bestimmt. Dazu wird der Strömungskanal durch das Masterobjekt ausgetauscht und anschließend die Kenngröße bestimmt. Mit Hilfe des Masterobjektes wird ein gewünschter Durchfluss widerstand und damit der Sollwert für die Kenngröße vorgeben. Im Laufe des Verfahren wird der Strömungskanal solange bearbeitet, bis die Kenngröße und damit der Durchflusswiderstand des Strömungskanal genau dem des Master-Objekt entspricht.

In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine der beiden Messgrößen mit Hilfe mindestens eines vorgegebenen Widerstandes bestimmt. Hiermit ist es insbesondere möglich, eine Messung der Durchflussrate durch eine Messung eines Druckes zusetzen. Eine Druckmessung ist z.B. mit kommerziell erhältlichen Mitteln wie mit Hilfe eines Piezometers preiswert und präzise durchführbar.

Erfindungsgemäß bevorzugt kann die zeitliche Variation der Amplituden beider Messgrößen größer als 1 %, insbesondere größer als 5 %, vorzugsweise größer als 15 % betragen. Geeigneter Weise werden deshalb zur Bestimmung der Messgrößen Detektoren verwendet, deren Ansprechzeit kleiner als die typischen Zeitkonstanten der Fluktuation der Durchflussrate und/oder des Druckes ist. Hiermit wird sichergestellt, dass die Detektoren die zeitlichen Fluktuationen vollständig erfassen und somit keine Fehler bei den Messgrößen und damit bei der Bestimmung der Kenngröße aufgrund einer zeitlichen Mittlung entstehen. Vorzugsweise ist die Ansprechzeit der Detektoren kleiner als die Taktfrequenz der für die Bewegung des Fluids erforderlichen Einrichtung wie z.B. eine Pumpe. Vorteilhafterweise liegt die Ansprechzeit der Detektoren im Millisekunden-Bereich.

Das Fluid umfasst geeigneter Weise elektrolytische Lösungen, korrosive Fluide, Säuren, Laugen, dielektrische Fluide und/oder Trägergase. Mit derartigen Fluiden können Strömungskanäle, wie z. B. Öffnungen oder andere, schwer zugängliche hohle Räume auf vorteilhafte Weise von innen her bearbeitet werden.

Vorteilhafterweise werden die Messgrößen mit Hilfe eines Lockin- Verfahrens bestimmt. Dazu wird der Druck des durch den Strömungskanal fließende Fluids und/oder die durch den Strömungskanal fließende Durchflussrate mit einer Modulationsfrequenz moduliert, und die Kenngröße bei der entsprechenden Modulati- onsfirequenz frequenzselektiv analysiert und verstärkt. Zur Erzeugung der Modulation wird vorteilhafterweise die Pumpe, die für die Beförderung des Fluids eingesetzt wird, verwendet. Beispielsweise gibt eine Kolbenpumpe durch ihre Drehfrequenz eine Modulationsfrequenz vor. Mit Hilfe des Lockin- Verfahrens lässt sich das Rauschen der Detektoren und/oder der Elektronik (z.B. thermisches Rauschen) erheblich unterdrücken. Das Signal-Rauschverhältnis und damit die mit dem Verfahren erzielbaren Toleranzen bei der Einstellung von Strömungskanälen werden um einen Faktor 100 bis 1000 verbessert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchfluss- Widerstandes eines Strömungskanals, insbesondere eine Öffnung in einem Bauteil, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung eines Fluidstroms, einen Drucksensor, einen Durch- flussratensensor und ein Fluidreservoir, wobei eine erste Leitung das Fluidreser- voir mit der Einrichtung zur Erzeugung eines Fluidstroms und eine zweite Leitung die Einrichtung zur Erzeugung eines Fluidstroms mit dem Strömungskanal verbindet, und ist gekennzeichnet durch ein Bestimmungsmittel zur dynamischen Bestimmung einer Kenngröße, die den Durchflusswiderstand des Strömungskanals charakterisiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt damit keine Druck oder Durchflussraten stabilisierende Komponenten wie im Stand der Technik vorgeschlagen. Das Bestimmungsmittel ermittelt aus den Daten, die der Drucksensor und der Durch- flussratensensor liefern, eine Kenngröße, die ein Maß für den Durchflusswiderstand des Strömungskanals ist. Durch eine Quotientenbildung aus Druck und Durchflussrate wird die Kenngröße von den zeitlichen Fluktuationen bereinigt. Das Bestimmungsmittel umfasst bevorzugt eine Recheneinheit zur Quotientenbildung. Es stellt ein Teil z.B. einer Regeleinheit dar, die anhand der Daten von mindestens zwei Detektoren eine Kenngröße ermittelt, mit der das Arbeitsverfahren zur Bearbeitung der Strömungskanals regelbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Durchflussraten- sensor einen Widerstand und einen Druckmesser, die parallelgeschaltet sind. Durch die Parallelschaltung von einem Widerstand und einem Druckmesser kann mit Hilfe einer Druckmessung die Durchflussrate bestimmt werden, wodurch auf einfache Weise die für die Bestimmung der Kenngröße erforderliche Durchflussrate ermittelt wird.

Vorteilhafterweise sind zur Vermeidung von Störungen bzw. Messfehlern aufgrund eines Lösens von Partikeln vom Bauteil während des Bearbeitungsvorgangs sowohl der Drucksensor als auch der Durchfiussratensensor in der zweiten Leitung in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Strömungskanal angeordnet.

Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Lockin- Verstärker zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses der Messgrößen und damit der Kenngröße. Mit dem Lockin- Verstärker werden die Messgrößen bzw. die Kenngröße frequenzselektiv bei einer Modulationsfrequenz analysiert und verstärkt. Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise einen Modulationsfrequenzgenerator, mit dem eine Modulationsfrequenz generiert wird. Die Durch- flussrate durch den Strömungskanal oder der Druck des Fluids vor dem Strömungskanal wird damit mit einer Modulationsfrequenz moduliert. Ein Sensor erfasst für den Lockin- Verstärker die Modulationsfrequenz. Der Modulationsfre- quenzgenerator ist vorteilhafterweise die Pumpe, die zur Beförderung des Fluids eingesetzt wird.

Weitere Vorteile und spezielle Ausgestaltungen sollen anhand der folgenden Zeichnung, die lediglich exemplarisch die Erfindung veranschaulichen soll, erläutert werden.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes; und

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals 1, insbesondere einer Öffnung in einem Bauteil 2, mit einem Fluidreservoir 9, einer Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Fluidstroms, beispielsweise einem Generator, eine Pumpe, einen Druckspeicher oder dergleichen, einem Druckmesser 10 mit einem Widerstand 8 und einem Drucksensor -11. Das Fluid 3 wird mit Hilfe z.B. einer Kolbenpumpe 4 aus dem Fluidreservoir 9 mit Hilfe einer ersten Leitung 5 und einer zweiten Leitung 6 durch den Strömungskanal 1 des Bauteils 2 gepumpt. Der Druckmesser 10 mit dem Widerstand 8 stellen einen Durchflussratensensor 12 dar. Aus den Daten, die der Durchflussratensensors 12 und der Drucksensor 11 liefern, bestimmt das Bestimmungsmittel 7 eine Kenngröße. Dabei wird vorzugsweise der über den Strömungskanal 1 abfallende Druck durch die Durchflussrate des durch den Strömungskanal 1 fließenden Fluids geteilt. Hierdurch fallen die zeitlichen Fluktuati- onen heraus und die Kenngröße bildet ein Maß für den Durchflusswiderstand des Strömungskanals 1.

Das aus dem Strömungskanal 1 austretende Fluid 3 fließt über einen Abfluss 13 ab bzw. tritt unmittelbar ins Freie. Die Reihenfolge des Drucksensors 11 und des Durchflussratensensors 12 kann je nach Art bzw. Wahl der Sensoren 11, 12 und Art der Messung frei gewählt werden. Es ist jedoch von Vorteil, wenn beide Sensoren 11, 12 in Strömungsrichtung des Fluids 3 vor dem Bauteil 2 angeordnet sind. Durch die Messung des zeitlich variierenden Druckes bzw. der zeitlich variierenden Durchflussrate mit Hilfe des Drucksensors 11 bzw. des Durchflussraten- sensors 12 kann eine Kenngröße bestimmt werden, die ein präzises Maß für den Durchflusswiderstand des Strömungskanals 1 darstellt. Insbesondere können hierdurch Fluktuationen, wie sie z.B. durch die Pumpe 4 hervorgerufen werden können, toleriert werden. Das Bestimmungsmittel 7 rechnet aus den Daten, die der Drucksensor 11 bzw. der Durchflussratensensor 12 erfasst, die Fluktuationen her- aus.

Fig. 2 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals 1 wie Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die Messung der Durchflussrate direkt durch den Durchflussra- tensensor 12 erfolgt. Die vorliegende Erfindung betreffend ein Verfahren zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals 1, insbesondere einer Öffnung in einem Bauteil 2 und umfasst folgende Verfahrensschritte: ein Fluid 3 strömt durch den Strömungskanal 1; es wird eine Kenngröße bestimmt, die vom Durchflusswiderstand des Strömungskanals 1 in dem Bauteil 2 abhängt; der Strömungskanal 1 wird mit einem Arbeitsverfahren solange bearbeitet, bis die Kenngröße einen vorgegebenen Sollwert erreicht; und zeichnet sich dadurch aus, dass die Kenngröße aus einer ersten Messgröße und einer zweiten Messgröße bestimmt wird, wobei zugelassen wird, dass sich die erste Messgröße und die zweite Messgröße zeitlich ändern.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein bestimmter Durchflusswiderstand eines Strömungskanals in Bauteilen wie Vergaserdüsen oder Gasturbinenschaufeln mit hoher Präzision erzielt werden kann, ohne dass weder besonders bauliche Anforderungen an die Beschaffenheit der verwendeten Einrichtung zur Erzeugung eines Fluidstroms noch dass Druck oder Durchflussraten stabilisierende Mittel erforderlich sind, wie dies bislang im Stand der Technik vorgeschlagen ist.

BezugszeichenMste

Strömungskanal

Bauteil

Fluid

Einrichtung zur Erzeugung eines Fluidstroms erste Leitung zweite Leitung

Bestimmungsmittel

Widerstand

Fluidreservoir

Druckmesser

Drucksensor

Durchflussratensensor

Abfluss

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals (1), insbesondere einer Öffnung in einem Bauteil (2), umfassend folgende Schritte:

- ein Fluid (3) strömt durch den Strömungskanal (1);

- es wird eine Kenngröße bestimmt, die vom Durchflusswiderstand des Strömungskanals (1) in dem Bauteil (2) abhängt; - der Strömungskanal (1) wird mit einem Arbeitsverfahren solange bearbeitet, bis die Kenngröße einen vorgegebenen Sollwert erreicht; dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße aus einer ersten Messgröße und einer zweiten Messgröße bestimmt wird, wobei zugelassen wird, dass sich die erste Messgröße und die zweite Messgröße zeitlich ändern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe chemische Bearbeitung, hydroabrasive Bearbeitung, mechanische Bearbeitung, elektrochemische Bearbeitung, Elektroerosions-Bearbeitung, Elektroplattieren, stromloses Plattieren, Beschichten, und Aufdampfen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße durch Messung eines Druckes oder durch Messung einer Durchfluss- rate oder durch Messung einer Kombination von Druck und Durchflussrate bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Bearbeitungsdruck zwischen 3 bis 8 bar, vorzugsweise zwischen 4 bis 6 bar, insbesondere 5 bar beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Bearbeitungspause gemessen wird, in welcher der Strömungskanal (1) frei von einer eingebrachten Kathode ist, zumindest aber frei von einer anliegenden elektrischen Spannung.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Messgrößen in Strömungsrichtung des Fluids (3) vor dem Strömungskanal (1) erfasst werden.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für eine vorgebbare mittlere Durchflussrate und/oder für einen vorgebbaren mittleren Druck bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert mit Hilfe eines Master-Objekts bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Messgrößen mit Hilfe mindestens eines vorgegebenen Widerstandes (8) bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation der Amplituden beider Messgrößen größer als 1 %, insbesondere größer als 5 %, vorzugsweise größer als 15 %, beträgt.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Messgrößen Sensoren (11, 12) verwendet werden, deren Ansprechzeit kleiner als die typischen Zeitkonstanten der Fluktuationen der Durchflussrate und/oder des Druckes ist.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,- dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (3)- elektrolytische Lösungen, korrosive Fluide, dielektrische Fluide und/oder Träger-Gase umfasst.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößen mit Hilfe eines Lockin- Verfahrens bestimmt werden.

14. Vorrichtung zum Erzielen eines bestimmten Durchflusswiderstandes eines Strömungskanals (1), insbesondere einer Öffnung in einem Bauteil (2), vor- zugsweise zur Durchführung eines Verfahrens mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine Einrichtung (4) zur Erzeugung eines Fluidstroms, einen Drucksensor (11), einen Durchflussratensensor (12) und ein Fluidreservoir (9), wobei eine erste Leitung (5) das Fluidre- servoir (9) mit der Einrichtung (4) zur Erzeugung eines Fluidstroms verbin- det und eine zweite Leitung (6) die Einrichtung (4) zur Erzeugung eines

Fluidstroms mit dem Strömungskanal (1) verbindet, gekennzeichnet durch

Bestimmungsmittel (7) zur dynamischen Bestimmung einer Kenngröße, die den Durchflusswiderstand des Strömungskanals (1) charakterisiert.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussratensensor (12) einen Widerstand (8) und einen Druckmesser (10) umfasst, die parallel geschaltet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Drucksensor (11) als auch der Durchflussratensensor (12) in der zweiten Leitung (6) in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Strömungs- kanal (1) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Leitungen (5; 6) aus einem Kunststoff gefertigt sind.

18. Vorrichtung nach einem Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch einen Lockin- Verstärker zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses der

Messgrößen.