EP3911943A1 - Boroskop zur optischen inspektion von gasturbinen - Google Patents

Boroskop zur optischen inspektion von gasturbinen

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EP3911943A1
EP3911943A1 EP20702735.0A EP20702735A EP3911943A1 EP 3911943 A1 EP3911943 A1 EP 3911943A1 EP 20702735 A EP20702735 A EP 20702735A EP 3911943 A1 EP3911943 A1 EP 3911943A1
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EP
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sensors
image
borescope
image acquisition
data
Prior art date
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Pending
Application number
EP20702735.0A
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English (en)
French (fr)
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Jan Oke Peters
Michael Thies
Sven Rasche
Tomas Domaschke
Thorsten SCHÜPPSTUHL
Werner Neddermeyer
Sönke Bahr
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Lufthansa Technik AG
Original Assignee
Lufthansa Technik AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01N2021/9544—Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores using a probe with emitter and receiver on the probe

Definitions

  • the image capture sensors are preferably CCD sensors or CMOS sensors, preferably with global shutters.
  • the image capture sensors preferably have a resolution of at least 400 x 400 pixels (for example up to 2400 x 2400 pixels), an image refresh rate of up to 240 images per second and / or an image field opening angle of 35 ° to 65 °, 90 ° or 120 °, preferably from 40 °, 50 ° or 60 °, in each case ⁇ 5 °, preferably in each case ⁇ 3 °.
  • image acquisition sensors it is in particular also possible to continuously record image information which enables dynamic acquisition of components of a gas turbine, such as, for example, engine blades, which results, for example, from the rotation of one or more shafts of the gas turbine.
  • the shaft of the boroscope can be rigid or flexible. If the shaft is flexible, the borescope can be guided through a guide tube.
  • the guide tube can be part of the boroscope or a separate guide device.
  • the basic position of the boroscope or its image acquisition unit can then be determined via the guide tube, a fine adjustment of the position and orientation of the image acquisition unit being achieved by moving and rotating the shaft relative to the guide tube.
  • the position and orientation of the image acquisition unit inside a gas turbine can be read comparably from the part of the borescope protruding from the gas turbine.
  • the borescope according to the invention can be used for the automatic 3D detection of engine blades, in which the borescope is guided in a controlled manner along a rotating engine stage and thereby detects the engine blades in three dimensions.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of an aircraft engine with two boroscopes according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic partial view of the aircraft engine from FIG. 1 with the first boroscope according to the invention
  • FIG. 3 a detailed view of the first boroscope according to the invention from FIGS. 1 and 2 introduced into the aircraft engine;
  • FIG. 5a-c schematic representations of different embodiment variants of the boroscope from FIG. 3;
  • Figure 6 schematic partial view of the second, in the
  • Aircraft engine introduced boroscope according to Figure 1.
  • FIG 1 a section through a two-shaft engine 1 is shown schematically, in which the fan 2 and the low-pressure compressor 3 are rotatably connected to the low-pressure door 5 via a first shaft 4, while the high-pressure compressor 6 is connected to the high-pressure turbine via a second shaft 7 8 is rotatably connected.
  • the combustion chamber 9 is arranged between the high pressure compressor 6 and the high pressure door 8.
  • the rigid borescope 10 is through a borescope opening in the
  • the first borescope 10 from FIGS. 1 and 2 is shown in FIG. 3.
  • the borescope 10 comprises an electronic image acquisition unit 12 as a borescope objective at one end of the shaft 13 provided for insertion into a borescope opening, which is rigid in the first borescope 10 and has a lateral opening in the region of the image acquisition unit 12.
  • a handle 14 is provided, which is also suitable for connection to a guide device 30 (see FIG. 1).
  • the shaft has an outside diameter of 7.6 mm.
  • the image acquisition unit 12 can be completely accommodated in the shaft 13, it comprises - as shown in FIG. 4a - a package 16 of several ones arranged one above the other and interconnects 17, 17 '.
  • the image capture sensors 18 are CMOS sensors with global shutter, which - due to the small size required - can only capture gray levels.
  • an additional color sensor 19 is provided.
  • the image capture sensors 18 have a resolution of 400 x 400 pixels, an image refresh rate of up to 240 images per second. For the color sensor 19, a lower resolution is often sufficient.
  • a global shutter can be dispensed with for the color sensor 19 and a rolling shutter can be used, whereby the size of the color sensor 19 can be significantly reduced when it is implemented as a CMOS sensor.
  • the two image capture sensors 18 and the color sensor 19 are designed such that they basically cover the same recording area 23.
  • the receiving area 23 - as will be explained in more detail below with reference to FIG. 5 - can be freely defined in wide areas by suitable design of the receiving cone of the sensors 18, 19.
  • lenses (not shown) can be provided directly on the sensors 18, 19.
  • FIGS. 5a-c outline various design variants of the borescope 10 from FIG.
  • the design variants have a fundamentally identical structure of the borescope 10 and differ from one another only by lenses glued onto the image acquisition sensors 18.
  • the illustration in FIGS. 5a-c is therefore limited to the area of the boroscope 10 in which the image acquisition unit 12 is arranged.
  • the lenses on the image acquisition sensors 18 are selected such that the axes 18 ′′ of the recording cone 18 ′ of the two image acquisition sensors 18 still run parallel to one another, but have a viewing angle of approximately 65 ° with respect to the axis of the shaft 13 in the insertion direction of the boroscope 10. In this way, areas lying in front of the borescope 10 in the insertion direction can be inspected, for example the blade root of the blades 6 'as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the second borescope 11 from FIG. 1 will now be described in more detail.
  • the borescope 11 and the guide device 30 provided therefor are basically in accordance with
  • the free end of the guide tube 31 inserted into the engine 1 is shown in more detail in FIG.
  • the guide tube 31 is guided through the guide vanes of the high-pressure turbine 8.
  • the borescope 11 protrudes from the guide tube 31.
  • the flexible shaft 13 of the boroscope 11, which is pushed through the guide tube 31, is bent elastically at its insertion end in such a way that the area of the shaft 13 is angled with the image capturing unit 12 in the operating state, as shown, when the shaft 13 is retracted through the guide tube 31 but aligned coaxially with the guide tube 31.
  • the image capturing unit 12 comprises two image capturing sensors 18 for capturing images suitable for triangulation.
  • the image acquisition unit 12 can be configured in a manner comparable to the image acquisition unit 12 of the first boroscope 10, which is why reference is made to the above explanations for further explanation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Horoskop (10, 11) zur optischen Inspektion von Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken (1). Das Horoskop (10, 11) umfasst eine elektronische Bilderfassungseinheit (12) als Boroskopobjektiv am Ende eines zur Einführung in eine Boroskopöffnung und genauen Positionierung des Boroskopobj ektivs relativ zur Boroskopöffnung geeigneten Schafts (13), durch den Daten- und Versorgungsleitungen (15) für die Bilderfassungseinheit (12) geführt sind. Die Bilderfassungseinheit (12) weist zwei voneinander beabstandete Bilderfassungssensoren (18) auf, deren Aufnahmekegel (18'') in einer vorgegebenen Aufnahmeebene (22) zur Bildung eines Aufnahmebereichs (23) derart überlappen, dass durch Triangulation die Bilddaten der beiden Bilderfassungssensoren (18) zu 3D-Daten verarbeitbar sind.

Description

Boroskop zur optischen Inspektion von Gasturbinen
Die Erfindung betrifft ein Boroskop zur optischen Inspektion von Gasturbinen, insbesondere von Flugzeugtriebwerken.
Im Stand der Technik sind diverse Verfahren zur optischen In- spektion von Gasturbinen, insbesondere von Flugzeugtriebwerken wie Strahltriebwerken, bekannt, bei denen ein Boroskop durch eine seitliche Öffnung in eine vollständig montierte Gastur bine eingeführt werden kann, um damit dann das Innere der Gas turbine optisch inspizieren zu können. Aufgrund der im Betrieb wirkenden Belastungen wird die Boro- skopie insbesondere für die Inspektion von Turbinen- und Kom pressorschaufeln von Flugzeugtriebwerken verwendet. Dabei wird gemäß dem Stand der Technik ein Boroskop seitlich in das Flug zeugtriebwerk eingeführt und so im Innern des Gaskanals posi- tioniert, dass eine Schaufel einer Turbinen- oder Kompressor stufe sowie der Anschlussbereich der Triebwerksschaufel - bei größeren Triebwerksschaufeln ein vorgegebener Höhenbereich der Schaufeloberfläche - vollständig im Bildbereich des Boroskops liegt. Die Turbinen- oder Kompressorstufe wird dann rotiert, um so sämtliche Triebwerksschaufeln der entsprechenden Stufe dynamisch erfassen zu können.
Die so erzeugten Videoaufnahmen werden manuell analysiert, um den Bauzustand der Triebwerksschaufeln zu dokumentieren. Bei signifikanten Beschädigungen kann eine manuelle statische 3D- Erfassung einer einzelnen Triebwerksschaufel erfolgen, um die Beschädigung noch genauer zu analysieren. Diese 3D-Erfassung ist jedoch sehr aufwendig und zeitintensiv, sodass sie nur in Ausnahmefällen durchgeführt wird.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Boroskop zu schaffen, welches eine verbesserte 3D-Erfassung des Inneren einer Gasturbine ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Boroskop gemäß dem Haupt anspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung ein Boroskop zur optischen In spektion von Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken, umfassend eine elektronische Bilderfassungseinheit als Boro- skopobjektiv am Ende eines zur Einführung in eine Boroskopöff- nung und genauen Positionierung des Boroskopobjektivs relativ zur Boroskopöffnung geeigneten Schafts, durch den Daten- und Versorgungsleitungen für die Bilderfassungseinheit geführt sind, wobei die Bilderfassungseinheit zwei voneinander beab- standete Bilderfassungssensoren aufweist, deren Aufnahmekegel in einer vorgegebenen Aufnahmeebene zur Bildung eines Aufnah mebereichs derart überlappen, dass durch Triangulation die Bilddaten der beiden Bilderfassungssensoren zu 3D-Daten verar- beitbar sind.
Das erfindungsgemäße Boroskop basiert auf dem Prinzip des sog. Videoskops, bei dem die von einer Optik am freien Ende des Bo roskop aufgenommenen Bilder nicht über eine optische Leitung zu einem Okular oder einer Kamera am anderen Ende des Boro- skops geleitet werden, sondern unmittelbar am freien Ende in elektronische Bildinformationen gewandelt werden, die dann über eine Datenleitung bspw. an eine Anzeige oder an einen Computer zur weitere Verarbeitung übermittelt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Bilderfassungseinheit zwei vonei nander beabstandete Bilderfassungssensoren, die nicht zur Ver größerung des erfassbaren Bildausschnitts des Boroskops bspw. parallel zueinander ausgerichtet sind, sondern deren Aufnahme- kegel in einer Aufnahmeebene überlappen, sodass sich in der Aufnahmeebene ein Aufnahmebereich ergibt, der von beiden Auf nahmekegeln erfasst wird. Aufgrund des Abstandes der beiden Bilderfassungssensoren und dem daraus resultierenden abwei chenden Sichtwinkel auf den Aufnahmebereich können für prak tisch jeden Punkt im Aufnahmebereich mithilfe von Triangula tion der Abstand von der Bilderfassungseinheit als 3D-Daten ermittelt werden. Dazu geeignete Verfahren sind unter dem Be griff Stereovision bekannt. Aus den Bildinformationen kann zu sammen mit den 3D-Daten ein 3D-Modell des von dem Boroskop aufgenommenen Gegenstands bzw. Bildbereichs erzeugt werden.
Insbesondere bei der vorteilhaften dynamischen Erfassung durch das erfindungsgemäße Boroskop werden von den beiden Bilderfas sungssensoren sehr große Datenmengen erzeugt, deren unmittel bare Weiterleitung an eine Anzeige oder einen externen Compu ter eine hohe Anzahl von leistungsstarken Datenleitungen er fordern würde, was wiederum einen großen Schaftdurchmesser zur Folge hätte. Es ist daher bevorzugt, wenn die Bilderfassungs einheit einen integrierten Schaltkreis zur Vorverarbeitung der von den Bilderfassungssensoren erzeugten Daten aufweist, um dadurch die über die Datenleitungen zu transportierenden Daten zu reduzieren. Die Datenreduktion kann bspw. durch Kompression der von den Bildsensoren stammenden Rohdaten erreicht werden. Es ist zusätzlich oder alternativ auch möglich, dass der inte grierte Schaltkreis, bspw. ein „Field Programmable Gate Array" (FPGA) , aus den Rohdaten diejenigen Daten entfernt, die nicht den letztendlichen, von beiden Sensoren erfassten Aufnahmebe reich des Bilderfassungssystems abbilden.
Besonders bevorzugt ist es aber, wenn der integrierte Schalt kreis die von den beiden Bilderfassungssensoren zeitgleich aufgenommenen Bildinformationen mithilfe von Triangulation be- reits als 3D-Daten ermittelt. Dann muss anstelle von zwei Bil dern nur noch ein einzelnes, um 3D-Daten ergänztes Bild über die Datenleitungen übermittelt werden, was die Datenübertra gung deutlich reduziert. Bei dem einen zu übertragenen Bild kann es sich um das von einem der beiden Bilderfassungssenso ren erfassten Bild, oder um ein aus den Daten beider Bilder fassungssensoren kombiniertes Bild handeln. Das Bild kann ge trennt von den 3D-Daten oder mit diesen durch den integrierten Schaltkreis bereits zu einem 3D-Modell verarbeitet übermittelt werden .
Die Bilderfassungssensoren können so angeordnet und/oder aus gestaltet sein, dass die Aufnahmekegel beider Bilderfassungs sensoren in einem vorgegebenen Blickwinkel gegenüber der
Längsachse der Bilderfassungseinheit angeordnet sind. Beträgt dieser Blickwinkel 90°, können Bereiche seitlich der Bilder fassungseinheit erfasst werden. Durch eine andere Wahl des Blickwinkels abweichend von 90° können in Einschubrichtung des Boroskops davorliegende Bereiche (Winkelbereich 30°-90°) oder zurückliegende Bereiche (Winkelbereich 90°-150°) erfasst wer den. Dies ist insbesondere für Bereiche, die für ein Boroskop mit seitlicher Erfassung nicht einsehbar sind, relevant, wie bspw. häufig die Schaufelblattwurzel und/oder die Schaufel spitzen .
Es ist möglich, mehrere Boroskope mit unterschiedlichen Blick winkeln vorzusehen, die je nach Bedarf nacheinander in einer Gasturbine zum Einsatz kommen, um alle gewünschten Bereiche zu erfassen. Es ist aber auch möglich, mehrere Paare von Bilder fassungssensoren an einem einzelnen Boroskop vorzusehen, die jeweils unterschiedliche Blickwinkel aufweisen. Insbesondere können zwei Paare von Bilderfassungssensoren vorgesehen sein, wobei die Aufnahmekegel beider Bilderfassungssensoren des ei- nen Paares in einem anderen Blickwinkel gegenüber der Längs achse der Bilderfassungseinheit ausgerichtet sind als die Auf nahmekegel beider Bilderfassungssensoren des anderen Paares.
Es ist bevorzugt, wenn die Bilderfassungssensoren mit einem Mittelpunktabstand von 2 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 5 mm bis 15 mm, weiter vorzugsweise von 8 mm bis 11 mm angeordnet sind. Mit „Mittelpunktabstand" ist der Abstand der beiden Sen sormittelpunkte zueinander bezeichnet. Die Genauigkeit der Er mittlung der 3D-Daten mithilfe von Triangulation hängt von dem Abstand der beiden Bilderfassungssensoren ab, wobei der ge ringe zur Verfügung stehende Bauraum und optische Verzerrungen aufgrund des regelmäßig nur geringen Abstands der Aufnahme ebene von der Bilderfassungseinheit limitierende Faktoren sind. Die genannten Abstände haben sich insbesondere für die Verwendung des erfindungsgemäßen Boroskops zur Inspektion von Gasturbinen als vorteilhaft erwiesen. Es ist insbesondere auch möglich, mehr als zwei, bspw. drei Bilderfassungssensoren vor zusehen, wobei zur Ermittlung der 3D-Daten mithilfe von Trian gulation jeweils nur die Bilddaten von zwei der mehreren bzw. drei Bilderfassungssensoren herangezogen werden. Bei geeigne ter Anordnung der der mehreren bzw. drei Bilderfassungssenso ren lässt sich durch die Wahl der beiden letztendlich genutz ten Bilderfassungssensoren deren Abstand zueinander variieren und so an die jeweilige Aufnahmesituation anpassen.
Die Bilderfassungssensoren können zur unmittelbaren Erfassung von Farbinformationen ausgebildet sein. Steht kein ausreichen der Bauraum für entsprechende Farb-Bildsensoren zur Verfügung ist es auch möglich, dass die Bilderfassungssensoren lediglich zur Grauwertbestimmung ausgebildet sind. Entsprechende
Schwarz-weiß-Bildsensoren sind in der Regel kleiner als Farb- Bildsensoren. Sind die beiden Bilderfassungssensoren lediglich zur Grauwertbestimmung ausgebildet, kann ein zusätzlicher Farbsensor vorgesehen sein, dessen Informationen mit den Grau werten der Bilderfassungssensoren zu einem Farbbild zusammen- fügbar sind. Da der Farbsensor bspw. nicht zwingend die glei che Auflösung der Bilderfassungssensoren erfordert, kann der Farbsensor für den zur Verfügung stehenden Bauraum ausreichend klein ausgestaltet sein.
Bei den Bilderfassungssensoren handelt es sich vorzugsweise um CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren, vorzugsweise mit Global Shut- ter. Die Bilderfassungssensoren weisen vorzugsweise eine Auf lösung von wenigstens 400 x 400 Pixel (bspw. bis 2400 x 2400 Pixel), eine Bildwiederholrate von bis zu 240 Aufnahmen pro Sekunde und/oder einen Bildfeldöffnungswinkel von 35° bis 65°, 90° oder 120°, vorzugsweise von 40°, 50° oder 60°, jeweils ± 5°, vorzugsweise jeweils ± 3° auf. Mit entsprechenden Bilder fassungssensoren ist insbesondere auch eine kontinuierliche Aufnahme von Bildinformationen möglich, die eine dynamische Erfassung von Bauteilen einer Gasturbine, wie bspw. Trieb werksschaufeln, ermöglichen, die sich bspw. durch das Drehen einer oder mehrerer Wellen der Gasturbine ergibt.
Es ist bevorzugt, wenn die Bilderfassungseinheit wenigstens eine LED zur Beleuchtung des Aufnahmebereichs aufweist. Durch die Anordnung der LED unmittelbar als Teil der Bilderfassungs einheit kann eine gute Be- und Ausleuchtung des Aufnahmebereichs sichergestellt werden. Die wenigstens eine LED kann sichtbares Licht und/oder Infrarotstrahlung aussenden, je nachdem, für welchen Wellenlängenbereich die Bilderfassungs sensoren ausgelegt sind. Es ist selbstverständlich auch möglich, mehrere unterschiedliche LEDs - bspw. eine für den sichtbaren und eine für den Infrarot-Bereich - vorzusehen.
Der Schaft des Boroskops kann starr oder flexibel sein. Ist der Schaft flexibel, kann das Boroskop durch ein Führungsrohr geführt werden. Das Führungsrohr kann dabei Teil des Boroskops oder einer gesonderten Führungsvorrichtung sein. Über das Füh rungsrohr kann dann die grundsätzliche Position des Boroskops bzw. dessen Bilderfassungseinheit festgelegt werden, wobei durch Verschieben und Verdrehen des Schaftes gegenüber dem Führungsrohr eine Feineinstellung der Position und Ausrichtung der Bilderfassungseinheit erreicht werden kann. Bei einem starren Boroskop kann die Position und Ausrichtung der Bilder fassungseinheit im Innern einer Gasturbine vergleichbar an dem aus der Gasturbine ragendem Teil des Boroskops abgelesen wer- den .
Das erfindungsgemäße Boroskop ist zur dynamischen Erfassung von Triebwerksschaufeln einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, geeignet. Insbesondere in Kombination mit einer (halb- ) automatischen Führung des Boroskops, wie sie bspw. in der hiermit vollumfänglich in Bezug genommenen
DE 10 2017 218 426.4 beschrieben ist, kann das erfindungsgemäße Boroskop zur automatischen 3D-Erfassung von Triebwerks schaufeln eingesetzt werden, bei dem das Boroskop gesteuert an einer sich drehenden Triebwerksstufe entlang geführt wird und dabei die Triebwerksschaufeln dreidimensional erfasst.
Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Schnittansicht eines Flugzeug- triebwerks mit zwei erfindungsgemäßen Boroskopen;
Figur 2: eine schematische Teilansicht des Flugzeugtrieb werks aus Figur 1 mit dem ersten erfindungsgemä ßen Boroskops ; Figur 3 : eine Detailansicht des ersten, in das Flugzeug triebwerk eingeführten erfindungsgemäßen Boroskops aus Figuren 1 und 2 ;
Figur 4a, b: Detailansichten der Bilderfassungseinheit des Bo roskops aus Figur 3 ;
Figur 5a-c: schematische Darstellungen verschiedener Ausfüh rungsvarianten des Boroskops aus Figur 3 ; und
Figur 6: schematische Teilansicht des zweiten, in das
Flugzeugtriebwerk eingeführten Boroskops gemäß Figur 1.
In Figur 1 ist schematisch ein Schnitt durch ein Zweiwellen- Triebwerk 1 gezeigt, bei dem der Fan 2 sowie der Niederdruck kompressor 3 über eine erste Welle 4 mit der Niederdrucktur bine 5 drehverbunden ist, während der Hochdruckkompressor 6 über eine zweite Welle 7 mit der Hochdruckturbine 8 drehverbunden ist. Zwischen Hochdruckkompressor 6 und Hochdrucktur bine 8 ist die Brennkammer 9 angeordnet.
Zur Inspektion der Kompressorschaufeln 6 ' des Hochdruckkom pressors ist ein erstes Boroskop 10 in das Triebwerk 1 einge führt. Die Turbinenschaufeln 8' der Hochdruckturbine 8 können über ein zweites, in das Triebwerk 1 eingeführtes Boroskop 11 inspiziert werden.
Bei dem ersten Boroskop 10 handelt es sich um ein starres Bo roskop 10, welches von einer FührungsVorrichtung 30 geführt ist. Die Führungsvorrichtung 30 ist dabei zum elektronisch ge steuerten Einführen des Boroskops 10 in das Triebwerk 1 ausge staltet. In anderen Worten kann der Führungsvorrichtung 30 über eine nicht dargestellte Steuerungseinheit vorgegebenen werden, wie weit das Boroskop 10 in das Triebwerk 1 eingeführt sein soll, was dann von der Führungsvorrichtung 30 entspre chend umgesetzt wird.
In Figur 2 ist der Bereich des Triebwerks 1, in den das erste Boroskop 10 eingeführt ist, detaillierter dargestellt. Um das Boroskop 10 deutlich erkennen zu können, wurde auf die Dar stellung der Führungsvorrichtung 30 verzichtet.
Das starre Boroskop 10 ist durch eine Boroskopöffnung im
Triebwerk 1 zwischen zwei Leitschaufeln 6 ' ' des Hochdrückkom pressors 6 eingeführt und so ausgerichtet, dass mit dem Boro skop 10 die Schaufeln 6' der ersten Stufe des Hochdruckkom pressors 6 betrachtet werden können. Durch Drehen der zweiten Welle 7 (vgl. Figur 1) können die Schaufeln 6' an dem Boroskop 10 vorbeigeführt werden, sodass sämtlich Schaufeln 6' der ers ten Stufe des Hochdruckkompressors 6 inspiziert werden können.
Das erste Boroskop 10 aus Figuren 1 und 2 ist in Figur 3 ge zeigt .
Das Boroskop 10 umfasst eine elektronische Bilderfassungsein heit 12 als Boroskopobjektiv an einem Ende des zur Einführung in eine Boroskopöffnung vorgesehenen Schafts 13, der bei dem ersten Boroskop 10 starr ausgebildet ist und im Bereich der Bilderfassungseinheit 12 eine seitliche Öffnung aufweist. Am anderen Ende des Schafts 13 ist ein Handgriff 14 vorgesehen, der auch zur Anbindung an eine FührungsVorrichtung 30 (vgl. Figur 1) geeignet ausgebildet ist. Durch den Schaft 13 sind Daten- und Versorgungsleitungen 15 für die Bilderfassungsein heit 12 geführt. Der Schaft weist einen Außendurchmesser von 7 , 6 mm auf .
Damit die Bilderfassungseinheit 12 vollständig in dem Schaft 13 aufgenommen werden kann, umfasst sie - wie in Figur 4a dar- gestellt - ein Paket 16 aus mehreren übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Leiterbahnen 17, 17'. Die Ober seite der obersten, der Öffnung im Schaft 13 zugewandten Lei terbahn 17' ist in Figur 4b dargestellt.
Auf der Leiterbahn 17' sind im Abstand von 10 mm zwei Bilder fassungssensoren 18 angeordnet. Die Bilderfassungssensoren 18 sind dabei CMOS-Sensoren mit Global Shutter, die - aufgrund der erforderlichen geringen Baugröße - lediglich Graustufen erfassen können. Um dennoch Farbinformationen erfassen zu kön nen, ist noch ein zusätzlicher Farbsensor 19 vorgesehen. Die Bilderfassungssensoren 18 weisen eine Auflösung von 400 x 400 Pixel, eine Bildwiederholrate von bis zu 240 Aufnahmen pro Se kunde. Für den Farbsensor 19 ist häufig eine geringere Auflö sung ausreichend. Insbesondere kann für den Farbsensor 19 aber auf einen Global Shutter verzichtet werden und vielmehr ein Rolling Shutter zum Einsatz kommen, womit die Baugröße des Farbsensors 19 bei Ausführung als CMOS-Sensor deutlich redu ziert werden kann.
Die beiden Bilderfassungssensoren 18 sowie der Farbsensor 19 sind so ausgestaltet, dass die grundsätzlich den gleichen Auf nahmebereich 23 abdecken. Dabei kann der Aufnahmebereich 23 - wie nachfolgend noch anhand Figur 5 näher erläutert - durch geeignete Ausgestaltung der Aufnahmekegel der Sensoren 18, 19 in weiten Bereichen frei definiert werden. Dazu können unmit telbar auf den Sensoren 18, 19 aufgeklebte Linsen (nicht dar gestellt) vorgesehen sein.
Unabhängig von der Verwendung von Linsen und deren Ausgestal tung verlaufen die Aufnahmekegel 18' der beiden Bilderfas sungssensoren 18 (bzw. deren jeweilige Achsen 18'') im Wesent lichen parallel zueinander. Dadurch ist es mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich, aus den Bilddaten der beiden Bilder fassungssensoren 18 über bekannte Stereovisionsverfahren mit hilfe von Triangulation 3D-Daten zu ermitteln, die den Abstand der einzelnen Pixel von der Bilderfassungseinheit 12 wider spiegeln. Die Ermittlung dieser 3D-Daten wird unmittelbar in der Bilderfassungseinheit 12 von dem dort vorgesehenen inte grierten Schaltkreis 20 - einem FPGA - durchgeführt und von diesem mit den Bilddaten eines der beiden Bilderfassungssenso ren 18 sowie der Farbinformationen des Farbsensors 19 zu einem farbigen 3D-Modell des Aufnahmebereichs zusammengefasst. Aus schließlich dieses 3D-Modell wird über die Datenleitung 15 an eine Anzeige oder einen, die Daten weiterverarbeitenden oder speichernden Computer (nicht dargestellt) übermittelt. Die Rohdaten der verschiedenen Sensoren 18, 19 werden verworfen. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, die Rohda ten über die Datenleitung 15 zu übermitteln.
Auf der Bilderfassungseinheit 12 sind weiterhin sichtbares Licht ausstrahlende LEDs 21 und Infrarot-LEDs 21 ' zur Aus leuchtung des Aufnahmebereichs vorgesehen. Auch diese können bei Bedarf mit geeigneten aufgeklebten Linsen versehen sein, um den Aufnahmebereich gleichmäßig ausleuchten zu können.
In Figuren 5a-c sind verschiedene Ausführungsvarianten des Bo- roskops 10 aus Figur 3 skizziert. Die Ausführungsvarianten weisen dabei einen grundsätzlich identischen Aufbau des Boro- skops 10 auf und unterscheiden sich lediglich durch über auf die Bilderfassungssensoren 18 aufgeklebten Linsen voneinander. Die Darstellung in Figuren 5a-c beschränkt sich daher auf den Bereich des Boroskops 10, in dem die Bilderfassungseinheit 12 angeordnet ist.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 5a sind die Achsen 18'' der Aufnahmekegel 18' der beiden Bilderfassungssensoren 18 je weils ca. rechtwinklig zur Achse des Schafts 13 bzw. der Bil derfassungseinheit 12 angeordnet. Auf einer Aufnahmeebene 22, die in einem typischen Abstand des Boroskops 10 von den aufzu nehmenden Gegenständen, bspw. den Schaufeln 6' (siehe Figuren 1 und 2), angeordnet ist, ergibt sich der Aufnahmebereich 23 als derjenige Bereich, der von beiden Bilderfassungssensoren 18 erfasst wird.
In Figur 5b sind die Linsen auf den Bilderfassungssensoren 18 so gewählt, dass die Achsen 18'' der Aufnahmekegel 18' der beiden Bilderfassungssensoren 18 zwar weiterhin parallel zuei nander verlaufen, aber einen Blickwinkel von ca. 65° gegenüber der Achse des Schafts 13 in Einschubrichtung des Boroskops 10 aufweisen. Dadurch können in Einschubrichtung vor dem Boroskop 10 liegende Bereiche inspiziert werden, bspw. die Schaufel blattwurzel der Schaufeln 6 ' , wie sie in Figuren 1 und 2 dar gestellt sind.
Vergleichbar sind bei der Ausführungsvariante in Figur 5c die Linsen auf den Bilderfassungssensoren 18 so gewählt, dass die Achsen 18'' der Aufnahmekegel 18' der beiden Bilderfassungs sensoren 18 in einen Blickwinkel von jeweils ca. 115° gegenüber der Achse des Schafts 13 in Einschubrichtung des Boro skops 10 verlaufen. In der Folge ist der Aufnahmebereich 23 entgegen der Einschubrichtung nach hinten verschoben und kann so die Inspektion bspw. der Spitze der Schaufeln 6' (vgl. Fi guren 1 und 2) vereinfachen. Die Aufnahmekegel 18' bzw. deren Achsen 18'' verlaufen weiterhin parallel, um so eine einfache Stereovisionsberechnung bzw. Triangulation zu ermöglichen.
Es wird nun das zweite Boroskop 11 aus Figur 1 näher beschrie ben. Das Boroskop 11 und die dafür vorgesehene Führungsvor richtung 30 sind dabei grundsätzlich gemäß
DE 10 2017 218 426.4 ausgebildet, auf die zur näheren Erläute rung verwiesen wird. Es dient der Inspektion der Turbinen schaufeln 8 ' der ersten Stufe der Hochdruckturbine 8.
Das Boroskop 11 ist als flexibles Boroskop 11 ausgestaltet, d.h., der Schaft 13 ist vollständig flexibel und biegsam. Um das Boroskop 11 durch die Brennkammer 9 zu den fraglichen Tur binenschaufeln 8' zu führen, weist die Führungsvorrichtung 30 ein geeignet gebogenes Führungsrohr 31 auf, durch welches das Boroskop 11 geschoben werden kann. Das freie Ende des Füh- rungsrohrs 31 kann über die Führungsvorrichtung 30, bspw. mit einem computergesteuerten Antrieb, bewegt und genau positioniert werden, womit auch ein darin geführtes Boroskop 11 genau positioniert werden kann. Zur Feineinstellung der Position des Boroskops 11 kann auch die Einschubtiefe des Boroskop 11 in das Führungsrohr 31 verändert werden.
In Figur 6 ist das freie Ende des ins Triebwerk 1 eingeführten Führungsrohr 31 näher dargestellt. Das Führungsrohr 31 ist durch die Leitschaufeln der Hochdruckturbine 8 geführt. Aus dem Führungsrohr 31 ragt das Boroskop 11 hervor. Der flexible Schaft 13 des Boroskops 11, der durch das Füh rungsrohr 31 geschoben ist, ist an seinem Einschubende derart elastisch abgeknickt, dass der Bereich des Schaftes 13 mit der Bilderfassungseinheit 12 im Einsatzzustand, wie dargestellt, abgewinkelt ist, sich bei Zurückziehen des Schaftes 13 durch das Führungsrohr 31 aber koaxial mit dem Führungsrohr 31 aus- richtet .
Die Bilderfassungseinheit 12 umfasst zwei Bilderfassungssenso ren 18 zur Aufnahme zur Triangulation geeigneter Bilder. Die Bilderfassungseinheit 12 kann dabei vergleichbar zur Bilder- fassungseinheit 12 des ersten Boroskops 10 ausgeführt sein, weshalb zur weiteren Erläuterung auf die vorstehenden Ausfüh rungen verwiesen wird.

Claims

Patentansprüche
Boroskop (10, 11) zur optischen Inspektion von Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken (1) , umfassend eine elekt ronische Bilderfassungseinheit (12) als Boroskopobj ektiv am Ende eines zur Einführung in eine Boroskopöffnung und ge nauen Positionierung des Boroskopobj ektivs relativ zur Bo roskopöffnung geeigneten Schafts (13), durch den Daten- und Versorgungsleitungen (15) für die Bilderfassungseinheit (12) geführt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bilderfassungseinheit (12) zwei voneinander beabstan- dete Bilderfassungssensoren (18) aufweist, deren Aufnahme kegel (18'') in einer vorgegebenen Aufnahmeebene (22) zur Bildung eines Aufnahmebereichs (23) derart überlappen, dass durch Triangulation die Bilddaten der beiden Bilderfas sungssensoren (18) zu 3D-Daten verarbeitbar sind.
Boroskop nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bilderfassungseinheit (12) einen integrierten Schalt kreis (20) zur Vorverarbeitung der von den Bilderfassungs sensoren (18) erzeugten Daten aufweist, um die über die Da tenleitungen (15) zu transportierenden Daten zu reduzieren.
Boroskop nach Anspruch 2 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der integrierte Schaltkreis (20) zur Verarbeitung von durch die Bilderfassungssensoren (18) gleichzeitig aufgenommen Bilddaten zu 3D-Daten mit Hilfe von Triangulation ausgebil det ist.
Boroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungssensoren (18) so angeordnet und/oder aus gestaltet sind, dass die Aufnahmekegel (18') beider Bilder fassungssensoren (18) in einem vorgegebenen Blickwinkel (24) gegenüber der Längsachse der Bilderfassungseinheit (12) ausgerichtet sind.
5. Boroskop nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Paare von Bilderfassungssensoren (18) vorgesehen sind, wobei die Aufnahmekegel (18') beider Bilderfassungssensoren (18) des einen Paares in einem anderen Blickwinkel (24) ge genüber der Längsachse der Bilderfassungseinheit (12) aus gerichtet sind als die Aufnahmekegel (18') beider Bilder fassungssensoren (18) des anderen Paares.
6. Boroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bilderfassungssensoren (18) mit einem Mittelpunktab stand von 2 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 5 mm bis 15 mm, weiter vorzugsweise von 8 mm bis 11 mm angeordnet sind.
7. Boroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bilderfassungssensoren (18) zur unmittelbaren Erfassung von Farbinformationen ausgebildet sind oder die Bilderfas sungssensoren (18) zur Grauwertbestimmung geeignet sind, wobei ein zusätzlicher Farbsensor (19) vorgesehen ist, des sen Informationen mit den Grauwerten der Bilderfassungs sensoren (18) zu einem Farbbild zusammenfügbar sind.
8. Boroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bilderfassungssensoren (18) CCD-Sensoren oder CMOS-Sen- soren sind, die vorzugsweise eine Auflösung von wenigstens 400 x 400 Pixel, eine Bildwiederholrate von bis zu 240 Auf nahmen pro Sekunde und/oder einen Bildfeldöffnungswinkel von 35° bis 65°, vorzugsweise von 40°, 50° oder 60°, je weils ± 5°, vorzugsweise jeweils ± 3° aufweisen.
9. Boroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bilderfassungseinheit (12) wenigstens eine LED (21,
21') zur Beleuchtung des Aufnahmebereichs aufweist, wobei die wenigstens eine LED (21, 21') sichtbares Licht und/oder Infrarotstrahlung aussendet.
10. Boroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaft (13) starr oder flexibel ist.
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