EP3008457A1 - Verfahren zur bestimmung eines transitionspunktes und/oder von wandschubspannungen an umströmten flächen und messvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur bestimmung eines transitionspunktes und/oder von wandschubspannungen an umströmten flächen und messvorrichtung

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EP3008457A1
EP3008457A1 EP14757834.8A EP14757834A EP3008457A1 EP 3008457 A1 EP3008457 A1 EP 3008457A1 EP 14757834 A EP14757834 A EP 14757834A EP 3008457 A1 EP3008457 A1 EP 3008457A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
around
flow
determining
flow around
shear stresses
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14757834.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Stadlbauer
Jürgen Gründmayer
Felix VON PLEHWE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of EP3008457A1 publication Critical patent/EP3008457A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/241—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G01M9/065—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow
    • G01M9/067—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow visualisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means
    • G01J5/485—Temperature profile

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a transition point and / or wall shear stresses on flow areas according to claim 1. Furthermore, the present invention relates to a measuring device according to claim 12.
  • the wall shear stress can be determined.
  • An object of the present invention is to propose a novel non-contact method for determining a transition point and / or wall shear stresses on flow areas. It is another object of the present invention to propose a corresponding measuring device.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of claim 1. It is further achieved by a measuring device having the features of claim 12.
  • a method for determining a transition point on surfaces which are flown over by means of thermography.
  • the method can additionally or alternatively determine wall shear stresses on the surfaces which are flowed around.
  • a transition point generally describes the transition point from a laminar to a turbulent flow, or from a turbulent to a laminar flow, in particular along a surface, in space or along a line.
  • the transition point is also called the instability point of the flow.
  • Thermography describes an imaging method for measuring and / or displaying a temperature, in particular the surface temperature, of objects.
  • the intensity of an infrared radiation emanating from a point or from a surface, for example, of the object is taken as a measure of its temperature.
  • the method according to the invention comprises the following steps: Providing a surface with a thermal barrier coating on the surface to be flowed or bypassed (short: flow around), or circulating (briefly: flowing around) the flow around Surface, heating the area around, non-contact measuring of heat emitted by the flow around the surface by means of a camera system, determining at least one
  • Temperaturabklingkofuren on the flow around the surface and determining the transition point and / or the wall shear stresses on the surface flow around or qualitative visualization of the heat transfer into the flow.
  • the measuring device is provided, set up and / or configured for determining the transition point and / or wall shear stresses on surfaces around which flows. Furthermore, the measuring device is configured to carry out at least the following method steps: heating the surface around which it flows, measuring heat emitted by the surface around it by means of a camera system, determining at least one temperature decay coefficient on the surface flowing around, and determining the transition point and / or wall shear stresses on the flow around it Area. For this purpose, it has the respective required devices.
  • Embodiments of the invention may include one or more of the features mentioned below.
  • thermal barrier coating refers to a layer having low thermal conductivity properties. A measure of thermal conduction in a material or fabric is the thermal conductivity of the material or fabric.
  • a thermal barrier coating may be referred to as a poor thermal conduction layer. If, for example, a surface of a thermal insulation layer is heated by means of a heat source (eg by thermal radiation), then the heat is only passed on to a limited extent by this thermal insulation layer (or passed on to the surface only to a small extent).
  • a heat source eg by thermal radiation
  • the thermal conductivity of the insulating layer is at least a factor of 5 smaller than the thermal conductivity of the base material.
  • Epoxidharzlack e.g. ⁇ be used as a thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating has a thickness of a few micrometers ( ⁇ ), z. B. between 0.1 ⁇ and 500 ⁇ .
  • a thermal barrier coating may be referred to as a thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating is applied to the surface of the surface to be flowed around and provided therewith.
  • the heat-insulating layer can be applied and fixed detachably or non-detachably on the surface, in particular by means of gluing.
  • the thermal barrier coating can be painted, vapor-deposited, stapled, welded (eg by means of spot welding), soldered and clamped. Combinations of the said fastening variants are also possible according to the invention.
  • the area to be flown around is provided with the heat-insulating layer on the surface already prefabricated.
  • the thermal barrier coating under special manufacturing conditions eg., Under vacuum
  • the surface to be flowed around actively refers to a flow that is directed directly at the surface to be flowed, such as in a model in a wind tunnel where the flow is directed to the model
  • active refers to a flow that is directed directly at the surface to be flowed, such as in a model in a wind tunnel where the flow is directed to the model
  • the model can use an airplane
  • Wing profiles a stator blade in a turbine or a car model to determine the air resistance.
  • the surface to be flowed around is passively flowed around.
  • passive refers to a flow that inevitably flows around a profile because the profile itself is being moved, for example, in a blade (or impeller) in a gas turbine that undergoes a flow because the blade itself is moved (rotated).
  • the area around which it flows is heated, in particular heated for a short time.
  • the heating of the flow around area is in some of the invention
  • Embodiments heated on the free surface of the thermal barrier coating ie on the side of the thermal barrier coating, which is not directly connected to the flow area.
  • the contactless measurement of emitted heat of the area around which it flows is effected by means of a camera system, in particular by means of an infrared camera system.
  • An infrared camera is also called a thermal imaging camera or a thermographic camera.
  • the heat emitted from the surface around which it flows is measured in a non-contact surface.
  • a flat measurement is to be understood as meaning a measurement which does not gradually build up a planar measurement by means of a punctiform or linear measurement or scanning (as in the case of the so-called line scanning method), but which detects the surface to be measured with a single measurement.
  • This surface measurement can be referred to as a full-surface measurement.
  • the heat emitted from the surface around which it flows is measured without contact spatially and / or two-dimensionally on the surface. In certain embodiments of the invention, at least one
  • Temperature decay coefficient determined on the surface around which flows can be determined at any location (synonymous with each point) on the surface and / or surface.
  • the temperature decay coefficient may be proportional to or may be assumed to be the heat transfer coefficient.
  • the transition point and / or the wall shear stresses are determined on the surface around which flows after the
  • Temperature decay coefficient was determined on the area flowed around. In other words, the transition point and / or the wall shear stresses on the flow-around surface are determined based on the determination of the temperature decay coefficient.
  • Thermal insulation layer on a surface applied to the functional layer may have a layer with a high emissivity color (synonymous with: high emissivity color) as a functional layer.
  • emissivity indicates how much (heat) radiation the body emits in comparison to an ideal heat radiator, a so-called black body.
  • the emissivity should be in the relevant wavelength range and / or in the relevant
  • Thermal conductivity should be as high as possible, for example E 0.6.
  • the heat emitted from the surface around which flows are advantageously detected by means of the camera system with a higher signal-to-noise ratio compared with a surface around which no flow occurs without a functional surface.
  • reference values of the heat given off from the surface around which the material flows are determined by means of the camera system, wherein the area to be flown around when detecting the reference values is not flowed around.
  • temperature decay constants are determined on the area being traversed, reference values being subtracted (or subtracted) from the measured values, or vice versa (i.e., the measured values are determined by the
  • the measured values relate here to the emitted radiation intensity of the surface around which flow is flowing around the surface to be flowed around.
  • the flow area is a surface of a turbine rotor blade.
  • a turbine rotor blade may be a rotor blade of a
  • High-pressure turbine and / or a low-pressure turbine stage of a turbine are High-pressure turbine and / or a low-pressure turbine stage of a turbine.
  • Turbine rotor blade may further be a rotor blade of a high pressure compressor and / or a low pressure compressor stage of a turbine.
  • the area flowed around is a surface of a turbine stator blade.
  • a turbine stator blade may be a stator blade of a
  • the turbine stator blade may be a stator blade of a high pressure compressor and / or a low pressure compressor stage of a turbine.
  • the camera system is a
  • Infrared camera system or has such.
  • An infrared camera system can be used as
  • thermographic camera system thermographic camera system
  • thermal camera system or as
  • Thermal imaging device are called.
  • the infrared camera is connected to a borescope or has a borescope.
  • Boroscopes are: borescopes, endoscopes, technoscopes, autoscopes or intrascopes.
  • a borescope eg an infrared borescope
  • other optics may be used in turbine applications
  • the decay behavior of the heat given off is measured on previously heated, circulating rotor surfaces over several revolutions of the rotor.
  • the area around which it flows is heated by means of a flash lamp or by means of a laser.
  • a flashlamp or by means of a laser the surface around which it flows can be heated (briefly) with or without flow around within a short period of time.
  • FPA Fluorescence Activated Plasma
  • heating eg. by means of
  • Determining the temperature decay coefficient at least a second time for example, to optimize the signal-to-noise ratio by averaging the measurement results. Further measurements can further optimize the signal-to-noise ratio.
  • the wall shear stresses are determined by means of previously determined Temperaturabklingkostoryen.
  • the correlation between the wall shear stresses and the temperature decay coefficients is based on the
  • the temperature decay coefficients are proportional to the heat transfer coefficients. Furthermore, for incompressible flows, the so-called Reynolds analogy applies, which states that the momentum and heat transfer are similar in the case of friction-affected flows. Consequently, based on a heat transfer measured, for example, by means of an infrared camera system, the pulse transmission can be determined. By means of the pulse transmissions, the wall shear stresses can be determined. Thus, a full-surface wall shear stress measurement or Quasiwandschubhardstown can be performed contactless with the inventive method. Furthermore, a simple visualization (quantitative) of the heat transfer into the flow can be realized.
  • the heat emitted from the flow around surface is measured on the flow side of the flow around surface.
  • the Measuring device for determining a transition point and / or of
  • Process steps configured: heating the surface around which flows, contactless measuring of heat emitted by the surface around it by means of a camera system, determining at least one temperature decay coefficient at the surface and determining the transition point and / or the wall shear stresses on the surface around which flows.
  • the transition point and / or the wall shear stresses on the surface around which the material flows are determined by the measurement data of the non-contact measurement of the heat given off and / or the at least one
  • Temperature decay coefficients are analyzed.
  • An analysis may include a comparison with, for example, other measurement data acquired earlier or with measurement data from tables or other comparison data (or reference data).
  • An analysis may include a comparison with historical data from previous measurements. On the basis of this analysis, the transition point can be determined and / or the wall shear stresses on the surface around which it flows can be determined.
  • the transition point and / or the wall shear stresses on the surface around which the material flows are determined by the measurement data of the non-contact measurement of the heat released and / or the at least one
  • Temperaturabklingkotude be compared with a comparison device with other data.
  • the measuring device is a test bench.
  • the measuring device may include an evaluation unit of the measurement results.
  • Some or all embodiments according to the invention may have one, several or all of the advantages mentioned above and / or below.
  • Thermal insulation layer does not continue on the other surface side, in particular not on the side that is directly connected to the flow around the surface, or at least continues only to a small extent.
  • the heat applied from the outside heats or at least does not substantially heat the flow area located below the heat-insulating layer. Consequently, no heat, or at most only a small part thereof, by means of heat conduction (synonymous with heat conduction) in the flow around part be forwarded, which would not be available for the measurement method according to the invention with the camera system.
  • thermal barrier coating Another advantage of the thermal barrier coating is the achievable, better spatial resolution in the non-contact measurement of the heat emitted from the surface around which it flows. This better spatial resolution therefore results that the heat remains localized, not smeared and not, or at least only to a lesser extent, forwarded by heat conduction on the surface and distributed over a large area.
  • the quantitative calculation of a heat transfer coefficient can by means of a
  • Thermal insulation layer be significantly less flawed.
  • Fig. 1 shows a side view of a flow around surface 1 with a two-dimensionally connected thereto thermal barrier coating 3, which is heated by a flash lamp 5 for a short time. Furthermore, a camera system 7 is shown in simplified form, which detects the heat emitted by the thermal barrier coating 3 without contact.
  • the thermal barrier coating 3 By means of the thermal barrier coating 3, on the one hand, it can be at least largely prevented that a portion of the heat is passed on to the area 1 which flows around it. On the other hand, the heat on or along the surface of the thermal barrier coating 3 is not forwarded or distributed. Thus, due to the thermal barrier coating 3, a high contrast can be achieved in the non-contact measurement of the heat released. Furthermore, due to the
  • Thermal insulation layer 3 is the quantitative calculation of the heat transfer coefficients much less buggy.
  • the camera system 7 may, for example, an infrared camera system with a high
  • Refresh rate for example, around 800 frames per second
  • short integration times less than 1 ⁇
  • Temperature decay behavior of the surface of the thermal barrier coating 3, which is connected to the flow-around surface 1, recorded over the entire surface and the decay constant for each location on the surface are determined. Since the heat transfer coefficient at the transition from laminar to turbulent flow 9 changes, so that any existing transition region can be detected over the entire surface.
  • the process goes much further!
  • the method is generally applicable to any type of flow around surface, such.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen (1) mittels Thermografie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht (3) auf der zu umströmenden Fläche (1), Umströmen der zu umströmenden Fläche (1), Erwärmen der umströmten Fläche (1), berührungsloses Messen von abgegebener Strömungsintensität der umströmten Fläche (1) mittels eines Kamerasystems (7), Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche (1) und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche (1). Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen (1) und/oder die qualitative Darstellung des Wärmeübergangs in die Strömung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen und Messvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen gemäß Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 12.
Zum Verständnis von Strömungsvorgängen an umströmten Körpern ist es von Bedeutung, mittels Messungen den Übergangs- oder Transitionspunkt zwischen laminarer und turbulenter Strömung zu bestimmen. Hierfür wird unter anderem die sogenannte Heißfilmanemometrie angewendet, welche beispielsweise entlang einer Linie eines umströmten Körpers den
Transitionspunkt ermittelt. Mit Hilfe von Heißfilmanemometriemessungen und einer
entsprechenden Kalibrierung kann die Wandschubspannung bestimmt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges berührungsloses Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen vorzuschlagen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Messvorrichtung vorzuschlagen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes an umströmten Flächen mittels Thermografie vorgeschlagen. Mit dem Verfahren können zusätzlich oder alternativ Wandschubspannungen an den umströmten Flächen bestimmt werden.
Ein Transitionspunkt beschreibt allgemein den Umschlagpunkt von einer laminaren in eine turbulente Strömung, oder von einer turbulenten in eine laminare Strömung, insbesondere entlang einer Fläche, im Raum oder entlang einer Linie. Der Transitionspunkt wird auch als Instabilitätspunkt der Strömung bezeichnet.
|Bestätigungskopie| Thermografie beschreibt ein bildgebendes Verfahren zur Messung und/oder Anzeige einer Temperatur, insbesondere der Oberflächentemperatur, von Objekten. Dabei wird die Intensität einer Infrarotstrahlung, die von einem Punkt oder von einer Fläche beispielsweise des Objektes ausgeht, als Maß für dessen Temperatur angenommen.
Für die Bestimmung des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht auf der zu beströmenden oder zu umströmenden (kurz: umströmten) Fläche, Be- oder Umströmen (kurz: Umströmen) der zu umströmenden Fläche, Erwärmen der umströmten Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem
Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche bzw. qualitative Visualisierung des Wärmeübergangs in die Strömung.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist vorgesehen, eingerichtet und/oder konfiguriert zur Bestimmung des Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen. Weiterhin ist die Messvorrichtung konfiguriert zum Ausführen wenigstens der folgenden Verfahrensschritte: Erwärmen der umströmten Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche. Hierzu weist sie die jeweils erforderlichen Vorrichtungen auf.
Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks„kann sein" bzw.„kann haben" usw. synonym zu„ist vorzugsweise" bzw.„hat vorzugsweise" usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausf hrungsformen erläutern.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen. Der Begriff„Wärmedämmschicht", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Schicht mit niedrigen Wärmeleiteigenschaften. Ein Maß für die Wärmeleitung in einem Material oder einem Stoff ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials oder des Stoffs. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft.
Eine Wärmedämmschicht kann als eine Schicht mit schlechten Wärmeleiteigenschaften bezeichnet werden. Wird beispielsweise eine Oberfläche einer Wärmedämmschicht mittels einer Wärmequelle erwärmt (z. B. durch Wärmestrahlung), so wird die Wärme nur in geringem Maß von dieser Wärmedämmschicht weitergeleitet (oder nur in geringem Maß an der Oberfläche weitergeleitet).
Generell gibt es keine Einschränkung der Wärmeleitfähigkeit. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Dämmschicht wenigstens einen Faktor 5 kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials.
Als Wärmedämmschicht kann bspw. Epoxidharzlack, z.B. ΙΟΟμηι verwendet werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Wärmedämmschicht eine Dicke von einigen Mikrometern (μηι), z. B. zwischen 0,1 μηι und 500 μηι.
Eine Wärmedämmschicht kann als Wärmeisolierschicht bezeichnet werden.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Wärmedämmschicht auf die Oberfläche der zu umströmenden Fläche aufgebracht und damit bereitgestellt. Beispielsweise kann die Wärmedämmschicht lösbar oder nicht lösbar auf der Oberfläche aufgebracht und befestigt werden, insbesondere mittels Kleben. Alternativ kann die Wärmedämmschicht auflackiert, aufgedampft, geheftet, geschweißt (z. B. mittels Punktschweißen), gelötet und geklemmt werden. Kombinationen der genannten Befestigungsvarianten sind erfindungsgemäß ebenfalls möglich.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die zu umströmende Fläche mit der Wärmedämmschicht auf der Oberfläche bereits vorgefertigt bereitgestellt. Beispielsweise kann die Wärmedämmschicht unter besonderen Fertigungsbedingungen (z. B. unter Vakuum) mit der zu umströmenden Fläche an einem anderen Ort hergestellt werden.
In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die zu umströmende Fläche aktiv umströmt. Der Begriff„aktiv", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Strömung, die direkt auf die zu umströmende Fläche gelenkt wird, wie dies beispielsweise bei einem Modell in einem Windkanal der Fall ist, bei der die Strömung auf das Modell gelenkt wird, um bestimmte Strömungsphänomene zu studieren. Das Modell kann beispielsweise ein Flugzeug mit
Flügelprofilen, eine Statorschaufel in einer Turbine oder ein Automodell zur Bestimmung des Luftwiderstands sein.
In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die zu umströmende Fläche passiv umströmt. Der Begriff„passiv", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Strömung, die zwangsläufig ein Profil umströmt, weil das Profil selbst bewegt wird. Dies tritt beispielsweise bei einer Laufschaufel (oder Laufrad) in einer Gasturbine auf, die eine Umströmung erfährt, weil die Laufschaufel selbst bewegt (in Rotation versetzt) wird.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die umströmte Fläche erwärmt, insbesondere kurzzeitig erwärmt.
Die Erwärmung der umströmten Fläche wird in manchen erfindungsgemäßen
Ausfuhrungsformen auf der freien Oberfläche der Wärmedämmschicht erwärmt, also auf der Seite der Wärmedämmschicht, die nicht mit der umströmten Fläche direkt verbunden ist.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen erfolgt das berührungslose Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, insbesondere mittels eines Infrarotkamerasystems. Eine Infrarotkamera wird auch als Wärmebildkamera oder als Thermografiekamera bezeichnet.
In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die abgegebene Wärme der umströmten Fläche berührungslos flächig gemessen. Unter einer flächigen Messung ist hierbei eine Messung zu verstehen, die nicht mittels einer punkt- oder linienförmigen Messung oder Abtastung (wie beispielsweise bei dem sogenannten Linienabtastverfahren) eine flächige Messung schrittweise aufbaut, sondern die mit einer einzigen Messung die zu messende Fläche erfasst. Diese flächige Messung kann als vollflächige Messung bezeichnet werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die abgegebene Wärme der umströmten Fläche berührungslos räumlich und/oder zweidimensional auf der Oberfläche gemessen. In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird wenigstens ein
Temperaturabklingkoeffizient an der umströmten Fläche bestimmt. Insbesondere kann der Temperatur abklingkoeffizient an jedem Ort (synonym zu jeder Stelle) auf der Oberfläche und/oder flächig bestimmt werden.
Der Temperaturabklingkoeffizient kann proportional zum Wärmeübergangskoeffizient sein oder so angenommen werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt, nachdem der
Temperaturabklingkoeffizient an der umströmten Fläche bestimmt wurde. Anders ausgedrückt wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche basierend auf der Bestimmung des Temperaturabklingkoeffizienten ermittelt.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Oberfläche der
Wärmedämmschicht eine auf der Oberfläche aufgebrachte Funktionsschicht auf. Beispielsweise kann die Oberfläche eine Schicht mit einer Farbe hoher Emissivität (synonym zu: Farbe mit einem hohen Emissionsgrad) als Funktionsschicht aufweisen. Der Begriff„Emissionsgrad" eines Körpers, wie er hierin verwendet wird, gibt an, wie viel (Wärme-) Strahlung der Körper im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem sogenannten schwarzen Körper, abgibt.
Beispielsweise weist poliertes Eisen einen niedrigen Emissionsgrad von ca. E = 0,1 auf (der Emissionsgrad E eines Körpers kann als das Verhältnis der von einem Flächenelement des Körpers spezifischen Ausstrahlung zu der von einem Schwarzen Körper derselben Temperatur abgestrahlten Strahldichte angegeben werden).
Der Emissionsgrad sollte im relevanten Wellenlängenbereich und/oder in der relevanten
Wärmeleitfähigkeit möglichst hoch sein, bspw. E 0,6.
Durch das Aufbringen der Funktionsschicht kann in manchen erfindungsgemäßen
Ausfuhrungsformen die abgegebene Wärme der umströmten Fläche vorteilhaft mit einem höheren Signal-zu-Rausch- Verhältnis gegenüber einer umströmten Fläche ohne Funktionsfläche mittels des Kamerasystems detektiert werden.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden Referenzwerte der abgegebenen Wärme der umströmten Fläche mittels des Kamerasystems ermittelt, wobei die zu umströmende Fläche bei der Erfassung der Referenzwerte nicht umströmt wird. Somit werden bei der Erfassung der Referenzwerte insbesondere die folgenden Schritte durchgeführt: Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht auf der zu umströmenden Fläche, Erwärmen der Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Strahlungsintensität in einem λ-Bereich (λ = Wellenlänge) der Fläche über der Zeit mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der Fläche.
In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen werden Temperaturabklingkonstanten an der umströmten Fläche bestimmt, wobei Referenzwerte von den gemessenen Werten abgezogen (oder subtrahiert) werden oder umgekehrt (d. h. die gemessenen Werte werden von der
Referenzwerten abgezogen). Die gemessenen Werte beziehen sich hierbei auf die abgegebene Strahlungsintensität der umströmten Fläche bei Umströmung der zu umströmenden Fläche. Mittels dieser Differenzbildung können vorteilhaft Messfehler aufgrund unterschiedlicher lokaler Emissionskoeffizienten und Wärmeleitfähigkeiten sowie inhomogener Beleuchtung auf der Oberfläche vermieden werden. Dadurch kann erreicht werden, dass nur der Wärmeübergang in die Strömung selbst abgebildet oder effektiv gemessen wird, Wärmetransportphänomene in das Material der umströmen Fläche und/oder in die Wärmedämmschicht spielen keine oder nur eine untergeordnete Rolle.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die umströmte Fläche eine Oberfläche einer Turbinenrotorschaufel. Eine Turbinenrotorschaufel kann eine Rotorschaufel einer
Hochdruckturbinen- und/oder einer Niederdruckturbinenstufe einer Turbine sein. Die
Turbinenrotorschaufel kann weiterhin eine Rotorschaufel einer Hochdruckverdichter- und/oder einer Niederdruckverdichterstufe einer Turbine sein.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die umströmte Fläche eine Fläche einer Turbinenstatorschaufel. Eine Turbinenstatorschaufel kann eine Statorschaufel einer
Hochdruckturbinen- und/oder einer Niederdruckturbinenstufe einer Turbine sein. Weiterhin kann die Turbinenstatorschaufel eine Statorschaufel einer Hochdruckverdichter- und/oder einer Niederdruckverdichterstufe einer Turbine sein.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Kamerasystem ein
Infrarotkamerasystem oder weist ein solches auf. Eine Infrarotkamerasystem kann als
Wärmebildkamerasystem, Thermografiekamerasystem, Thermalkamerasystem oder als
Wärmebildgerät bezeichnet werden.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Infrarotkamera mit einem Boroskop verbunden oder weist ein Boroskop auf. Weitere synonyme Bezeichnungen für Boroskope sind: Boreskope, Endoskop, Technoskope, Autoskope oder Intraskope. Mittels eines Boroskops (z. B. eines Infrarotboroskops)oder anderen Optiken kann bei Anwendungen in Turbinen das
Abklingverhalten der abgegebenen Wärme an zuvor erwärmten, umströmten Rotorflächen über mehrere Umdrehungen des Rotors hinweg gemessen werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die umströmte Fläche mittels einer Blitzlampe oder mittels eines Lasers erwärmt. Mittels einer Blitzlampe oder mittels eines Lasers kann die umströmte Fläche mit oder ohne Umströmung innerhalb einer kurzen Zeitspanne (kurzzeitig) erwärmt werden. Mittels spezieller schneller Infrarotkameras (z. B. sogenannter Indium Antimonide (InSb)„Focal Plane Array" (FPA)-Kameras mit einer Bildwiederholrate um die 800 Bildern pro Sekunde und Integrationszeiten von unter 1 με) kann das
Temperaturabklingverhalten der Oberfläche vollflächig aufgenommen und die Abklingkonstante für jeden Ort auf oder über der Oberfläche bestimmt werden.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Erwärmung (z. B. mittels
Blitzlampe oder Laser), die berührungslose Messung der abgegebenen Wärme und die
Bestimmung des Temperaturabklingkoeffizienten wenigstens ein zweites Mal wiederholt, um beispielsweise durch Mittelung der Messergebnisse das Signal-Rausch- Verhältnis zu optimieren. Weitere Messungen können das Signal-Rausch- Verhältnis weiter optimieren.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen werden die Wandschubspannungen mittels zuvor bestimmter Temperaturabklingkoeffizienten ermittelt. Die Korrelation zwischen den Wandschubspannungen und den Temperaturabklingkoeffizienten basiert auf dem im
Folgenden erläuterten Zusammenhang. Die Temperaturabklingkoeffizienten sind proportional zu den Wärmeübergangskoeffizienten. Weiterhin gilt für inkompressible Strömungen die sogenannte Reynoldsanalogie, die besagt, dass die Impuls- und Wärmeübertragung bei reibungsbehafteten Strömungen ähnlich sind. Folglich kann basierend auf einer, beispielsweise mittels eines Infrarotkamerasystems, gemessenen Wärmeübertragung die Impulsübertragung bestimmt werden. Mittels der Impulsübertragungen können die Wandschubspannungen ermittelt werden. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berührungslos eine vollflächige Wandschubspannungsmessung oder Quasiwandschubspannungsmessung durchgeführt werden. Des Weiteren kann eine einfache Visualisierung (quantitativ) des Wärmeübergangs in die Strömung realisiert werden.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die abgegebene Wärme der umströmten Fläche auf der Strömungsseite der umströmten Fläche gemessen.
In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen ist die Messvorrichtung zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von
Wandschubspannungen an umströmten Flächen zum Ausführen der folgenden
Verfahrensschritte konfiguriert: Erwärmen der umströmten Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt, indem die Messdaten der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme und/oder der wenigstens eine
Temperaturabklingkoeffizienten analysiert werden. Eine Analyse kann einen Vergleich beispielsweise mit weiteren Messdaten, die früher aufgenommen wurden, oder mit Messdaten aus Tabellen oder anderen Vergleichsdaten (oder Referenzdaten) beinhalten. Eine Analyse kann einen Vergleich mit Verlaufsdaten von früheren Messungen beinhalten. Aufgrund dieser Analyse kann der Transitionspunkt bestimmt und/oder die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt werden.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt, indem die Messdaten der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme und/oder der wenigstens eine
Temperaturabklingkoeffizienten mit einer Vergleichsvorrichtung mit weiteren Daten verglichen werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung ein Prüfstand. Die Messvorrichtung kann eine Auswerteeinheit der Messergebnisse einschließen.
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
Ein Vorteil einer Wärmedämmschicht auf der zu umströmenden Fläche kann darin bestehen, dass eine geeignet von außen aufgebrachte Erwärmung auf eine flächige Seite der
Wärmedämmschicht sich nicht auf die andere flächige Seite, insbesondere nicht auf die Seite, die direkt mit der umströmten Fläche verbunden ist, fortsetzt oder zumindest nur in geringem Maß fortsetzt. Somit kann vorteilhaft verhindert werden, dass die von außen aufgebrachte Wärme die unterhalb der Wärmedämmschicht liegende umströmte Fläche erwärmt oder zumindest nicht wesentlich erwärmt. Folglich kann auch keine Wärme, oder allenfalls nur ein kleiner Teil hiervon, mittels Wärmeleitung (synonym zu Wärmekonduktion) im umströmten Teil weitergeleitet werden, welches für das erfindungsgemäße Messverfahren mit dem Kamerasystem nicht zur Verfügung stehen würde.
Ein weiterer Vorteil der Wärmedämmschicht ist die erzielbare, bessere Ortsauflösung bei der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme der umströmten Fläche. Diese bessere Ortsauflösung resultiert daher, dass die Wärme lokalisiert bleibt, nicht verschmiert und nicht, oder zumindest nur in geringerem Maß, mittels Wärmeleitung auf der Oberfläche weitergeleitet und flächig verteilt wird.
Mittels einer wärmedämmenden Schicht auf einer zu umströmenden Fläche, beispielsweise einer Schaufel, kann vorteilhaft ein hoher Kontrast bei der Messung der abgegebenen Wärme erreicht werden.
Die quantitative Berechnung eines Wärmeübergangskoeffizienten kann mittels einer
Wärmedämmschicht deutlich weniger fehlerbehaftet sein.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung exemplarisch erläutert. In der schematisch vereinfachten, einzigen Figur gilt:
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer umströmten Fläche mit Wärmedämmschicht,
welche mittels einer Blitzlampe erwärmt wird, und ein Kamerasystem.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer umströmten Fläche 1 mit einer flächig hiermit verbundenen Wärmedämmschicht 3, welche mittels einer Blitzlampe 5 kurzzeitig erwärmt wird. Weiterhin ist vereinfacht ein Kamerasystem 7 dargestellt, welches die von der Wärmedämmschicht 3 abgegebene Wärme berührungslos erfasst.
Mittels der Wärmedämmschicht 3 kann einerseits zumindest weitgehend verhindert werden, dass ein Teil der Wärme in die umströmte Fläche 1 weitergeleitet wird. Andererseits wird die Wärme auf oder entlang der Oberfläche der Wärmedämmschicht 3 nicht weitergeleitet oder verteilt. Somit kann aufgrund der Wärmedämmschicht 3 ein hoher Kontrast bei der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme erreicht werden. Weiterhin ist aufgrund der
Wärmedämmschicht 3 die quantitative Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten wesentlich weniger fehlerbehaftet.
Das Kamerasystem 7 kann beispielsweise ein Infrarotkamerasystem mit einer hohen
Bildwiederholrate (bspw. um die 800 Bildern pro Sekunde) und kurzen Integrationszeiten (von unter 1 μβ) sein. Mit einem derartigen Infrarotkamerasystem kann das
Temperaturabklingverhalten der Oberfläche der Wärmedämmschicht 3, welche mit der umströmten Fläche 1 verbunden ist, vollflächig aufgenommen und die Abklingkonstante für jeden Ort auf der Oberfläche bestimmt werden. Da sich der Wärmeübergangskoeffizient beim Übergang von laminarer auf turbulente Strömung 9 ändert, kann damit ein evtl. vorhandener Transitionsbereich vollflächig erfasst werden.
Das Verfahren greift sehr viel weiter! Das Verfahren ist generell anwendbar für jegliche Art von umströmter Fläche, wie z. B. skaliere Modelle von Autos, Zügen und Flugzeugen in
Windkanälen. Für Sportartikelentwicklungen wäre dieses Verfahren (wie Fahrrad-,
Motorradhelme, Golfbälle etc.) ebenfalls anwendbar. Bei der Entwicklung von Windkraftwerken (insbesondere in der Rotorentwicklung) könnte dieses Verfahren auch angewandt werden.
Bezugszeichenliste
Bezugszeichen Beschreibung
1 umströmte Fläche
3 Wärmedämmschicht
5 Blitzlampe
7 Kamerasystem
9 Strömung; laminar/ turbulent

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von
Wandschubspannungen an umströmten Flächen (1) mittels Thermografie, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht (3) auf der zu
umströmenden Fläche (1);
- Umströmen der zu umströmenden Fläche ( 1 );
- Erwärmen der umströmten Fläche (1);
- Berührungsloses Messen von abgegebener Strahlungsintensität der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems (7);
- Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der
umströmten Fläche (1); und
- Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der
umströmten Fläche (1)
- und/oder flächige Darstellung der Abklingkoeffizienten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eine auf die Wärmedämmschicht (3) aufgebrachte Funktionsschicht hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend den Schritt:
- Ermitteln von Referenzwerten, wobei die abgegebene Strahlungsintensität der umströmten Fläche (1) mittels des Kamerasystems (7) ohne Umströmung der zu umströmenden Fläche (1) gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend den Schritt:
- Bestimmen der Temperaturabklingkonstanten an der umströmten Fläche (1), wobei die Referenzwerte von den gemessenen Werten der abgegebenen Wärme der umströmten Fläche (1) mit Umströmung der zu umströmenden Fläche abgezogen werden, oder umgekehrt.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umströmte Fläche (1) eine Fläche einer Turbinenrotorschaufel ist.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umströmte Fläche (1) eine Fläche einer Turbinenstatorschaufel ist.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kamerasystem (7) ein Infrarotkamerasystem ist oder ein solches aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Infrarotkamera mit einem Boroskop verbunden ist oder ein solches aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umströmte Fläche (1) mittels einer Blitzlampe (5) oder mittels eines Lasers erwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die
Wandschubspannungen mittels der zuvor bestimmten Temperaturabklingkoeffizienten ermittelt werden.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die abgegebene Wärme der umströmten Fläche (1) auf der Strömungsseite der umströmten Fläche (1) gemessen wird.
12. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von
Wandschubspannungen an umströmten Flächen (1), wobei die Messvorrichtung konfiguriert ist zum Ausführen der Verfahrensschritte: - Erwärmen der umströmten Fläche (1);
- berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche (1) mittels eines Kamerasystems (7);
- Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der
umströmten Fläche (1); und
- Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der
umströmten Fläche (1)
und/oder die qualitative Darstellung des Wärmeübergangs in die Strömung.
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