WO2003102567A1 - Anordnung aus einem bauteil und einer kontrollvorrichtung, verfahren zum herstellen der anordnung und verwendung der anordnung - Google Patents

Anordnung aus einem bauteil und einer kontrollvorrichtung, verfahren zum herstellen der anordnung und verwendung der anordnung Download PDF

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Ulrich Bast
Stefan Lampenscherf
Uwe Rettig
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    • G01N2203/0664—Indicating or recording means; Sensing means using witness specimens

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of a component and at least one control device for detecting a degradation of the component.
  • a method for producing the arrangement and a method for checking the functionality of the component using the arrangement are specified.
  • DE 36 36 321 AI shows an arrangement and a method for determining the wear state of a component.
  • the combustion chamber has an interior and a housing surrounding the interior.
  • a fossil fuel is burned inside the combustion chamber.
  • a temperature of up to 1500 ° C is reached during combustion.
  • Corrosive gases also occur that attack the housing of the combustion chamber.
  • the combustion chamber is lined with a large number of so-called ceramic heat shields to protect the housing from the high temperatures and from attack by corrosive gases.
  • a heat shield is a component made of a component material that has very good temperature and corrosion resistance.
  • the component material is, for example, a ceramic material in the form of mullite. Due to a porous structure with a large number of micro cracks, the ceramic material shows very good thermal shock behavior.
  • a very strong temperature fluctuation which occurs, for example, when the combustion process is interrupted in the combustion chamber of the gas turbine, is compensated for without the heat shield being destroyed.
  • a mechanical overload of the heat shield can lead to a Degradation of the heat shield is coming.
  • a crack (macro crack) can form in the heat shield. Such a crack forms in particular on an edge of the heat shield. During operation, the crack may spread towards the center of the heat shield.
  • the crack does not adversely affect the functionality of the heat shield up to a certain length and can therefore be tolerated. However, if the crack exceeds a certain length, the functionality of the heat shield is no longer ensured. An exchange of the heat shield is necessary in order to avoid a breakage of the heat shield caused by the crack during the operation of the gas turbine. It is therefore absolutely necessary to identify an existing crack and determine the length of the crack.
  • the detection of the crack or the length of the crack of the heat shield is carried out during a stationary phase of the gas turbine with the aid of a control device for optically detecting the crack.
  • the detection is usually carried out from the interior of the combustion chamber.
  • An optically accessible surface section of the heat shield, which faces the interior of the combustion chamber, is checked. If, on the other hand, the back of the heat shield is to be checked, this is often only possible by removing the heat shield. The back is a
  • the object of the invention is to show how a degradation of a component can be detected easily, quickly and reliably.
  • an arrangement consisting of a component and at least one control device for detecting a degradation of the component is specified.
  • control device has at least one electrically conductive control structure with a certain electrical property, decoupled from a function of the component, and the component and the control structure are firmly connected to one another in such a way that the degradation of the component degrades the control structure and thus causes a change in the specific electrical property of the control structure.
  • a method for producing the arrangement is also specified with the following method steps: a) arranging the component and the control structure next to one another and b) firmly connecting the component and the control structure, c) providing a control device (3) that is not permanent is electrically or electromagnetically connected to the control device (4).
  • a method for checking the functionality of a component using the arrangement comprises the following method steps: a) determining an actual value of at least one specific electrical property of the control structure, an electrical or electromagnetic coupling being established between the control structure (4) and control device (3), b) comparison of the actual Value of the electrical property with a nominal value of the electrical property that reflects the functionality of the component.
  • the electrically conductive control structure is any structured network of resistors, capacitors and inductors. Size, shape and conductor material of the control structure and the firm connection of the
  • the control structure and the component are selected such that the degradation of the component continues in a degradation of the control structure.
  • the degradation of the control structure leads to a change in the electrical property of the control structure. This change is recorded by comparing the actual value and the target value of the electrical property of the control structure.
  • control structure is attached, for example, to a critical point on the component. If the degradation of the component occurs at the critical point, the
  • the component is, for example, a heat shield described at the beginning.
  • the functionality of the heat shield is only guaranteed if a crack that spreads from the edge of the heat shield towards the center of the heat shield does not exceed a certain critical length.
  • the critical point of the heat shield in this example would be a certain distance from the edge of the heat shield in the direction
  • the control structure is attached to the surface of the heat shield at this distance, for example in a ring around the center of the heat shield.
  • the described arrangement of heat shield and control device can advantageously also be used to check the presence of the heat shield in the combustion chamber. If the control structure delivers a corresponding signal, the heat shield is present. The functionality of the heat shield is guaranteed. If, on the other hand, no corresponding signal can be detected, either the degradation of the heat shield has progressed to such an extent that the control structure has been destroyed, or the heat shield with the control structure is no longer present. In both cases, the functionality of the heat shield is no longer guaranteed.
  • the degradation or the lack of the heat shield can be reacted to very quickly. Consequential damage associated with the degradation or lack of the heat shield can be significantly limited.
  • Component and / or the degradation of the control structure selected from the group deformation and / or material removal and / or crack formation and / or crack propagation.
  • the component is deformed as a deformation. If the connected to the component
  • Control structure consists of a brittle, electrically conductive material, the bending of the component can lead to a crack or breakage of the control structure. An electrical direct current resistance of the control structure would change, for example.
  • the control structure has at least one electrical resonant circuit.
  • the specific electrical property of the control structure is selected from the group of direct current resistance and / or impedance and / or high-frequency resonance property.
  • the degradation is recorded, for example, by a resonance measurement.
  • a control structure in the form of an oscillating circuit The resonant circuit acts as a resonator for a high-frequency signal.
  • the high-frequency signal can be coupled into the resonant circuit with the aid of an antenna.
  • the high-frequency signal is emitted again by the resonant circuit and can be detected by the same or another antenna. Damage to a conductor track of the resonant circuit leads to a changed resonance behavior with regard to a frequency and / or amplitude and / or phase of the high-frequency signal. In this way, a degradation of an inaccessible surface section of a component can be detected.
  • the possibility of detecting the degradation is not limited by the thickness of the heat shields.
  • the component only needs to be scanned with the antenna to detect the degradation.
  • a resonant circuit is attached to the back of the heat shield of a combustion chamber, which is not accessible when installed.
  • a crack is detected by simply placing the antenna on the heat shield in the interior of the combustion chamber.
  • the DC resistance can also be measured.
  • a partial or complete interruption of a conductor track of the control structure leads to a change in the DC resistance of the control structure.
  • the component faces the electrical
  • the direct current resistance of the control structure can be measured via the plated-through hole.
  • the DC resistance can be measured, for example, by making electrical contact with the control structure through a gap between adjacent heat shields.
  • An impedance measurement can also be carried out to check the functionality of the component.
  • a frequency-dependent impedance of the control structure is measured.
  • the impedance also changes if the conductor track of the control structure is damaged.
  • the electrical contacting is the same as for resistance measurement.
  • a combination of the three specified measurement methods is advantageous for determining the functionality of the control structure.
  • a minimal function of the control structure can be checked.
  • control structure has at least one electrically conductive conductor material selected from the group of metallic conductors and / or ceramic conductors. It is conceivable, for example, that the
  • Control structure is built up from a so-called cermet.
  • cermet particles of a metallic conductor are distributed in a ceramic in such a way that a certain electrical conductivity results.
  • the control structure can consist of an electrically conductive, ceramic material. In both cases there is a brittle conductor material. A crack in the component can continue as a crack in the control structure.
  • the component material of the component and the conductor material of the control structure can consist of completely different materials with different mechanical properties.
  • the component consists of a metal. Due to the ductility of the metal, the component may be degraded in the form of a bend. So that the bending can be determined with the aid of the control structure, the control structure is applied, for example, in an electrically insulating manner to the surface of the component. A ceramic, for example, functions as the electrical insulator. If the control structure is now formed from a brittle conductor material, the bending of the component leads to a crack in the control structure. An electrical property of the control structure changes. As a result, the bending of the component can be demonstrated.
  • a component material of the component and the conductor material of the control structure have essentially the same mechanical property.
  • This mechanical property is selected in particular from the group of temperature expansion behavior and fracture toughness.
  • a component in the form of a heat shield a very large temperature difference occurs between an operating phase and a stationary phase of the gas turbine. In operation, for example, a temperature of up to 1500 ° C. is reached in the interior of the combustion chamber.
  • the essentially identical temperature expansion behavior ensures that the contact between the control structure and the component remains even during a change between the operating phase and the stationary phase. It is particularly advantageous if the fracture toughness of the component material and the conductor material are essentially the same. In particular, it is achieved that a break or crack in the component can continue in the control structure.
  • the component material and the conductor material are distinguished by at least similar stability to an external influence.
  • the external influence is, for example, an atmosphere or a temperature to which the component and / or the control structure are exposed during operation.
  • a surface temperature of up to 800 ° C. occurs on the surface section of the heat shield that faces away from the interior during operation of the combustion chamber.
  • the conductor material of the control structure is therefore advantageously temperature-resistant up to 800 ° C.
  • control structure is arranged on a surface section of the component and / or in the volume of the component.
  • a ceramic is used, for example, as the component material of the component and / or as the conductor material of the control structure.
  • a common sintering of the component and the control structure is carried out.
  • a paste of a ceramic conductor material is applied to the surface section of an already finished ceramic component.
  • the surface section can be formed by a groove in the component with the shape of the control structure to be produced.
  • a screen printing process or a mask process, for example, are suitable for applying the paste.
  • the conductor material is applied as a loop, spiral or meander depending on the requirements.
  • control structure is arranged in the volume of the component. This is possible, for example, if the component consists of several layers. The layers are joined together with the control structure, for example by sintering together. There is a ceramic multilayer body in the volume of which the control structure is integrated. Any electrical contacting required for an impedance or resistance measurement is advantageously carried out via an electrical via.
  • the invention has the following special advantages:
  • the component itself can have an extremely inhomogeneous structure.
  • the component can also have a relatively large component thickness. Evidence of degradation is also possible under these boundary conditions.
  • the degradation can also be determined on a surface section of the component that is difficult to access.
  • the functionality of the component can take place both in a stationary phase and in an operating phase. The functionality is checked easily, quickly and safely.
  • FIG. 1 shows a degradation of a component, which continues as a degradation of the control structure.
  • Figure 2 shows an arrangement of component
  • Control device with control structure in perspective.
  • FIG. 3 shows a control structure applied to a surface section of the component.
  • FIG. 4 shows a method for producing an arrangement from the component and control device.
  • Figure 5 shows a method for checking a
  • the arrangement 1 consists of a component 2 in the form of a heat shield and a control device 3 for detecting a degradation 5 of the component 1 (FIG. 2).
  • the control device 3 has an electrically conductive control structure 4 with a specific electrical property applied to a surface section 10 of the heat shield 1.
  • the control device 3 and the control structure 4 have no permanent electrical connection to one another.
  • the surface section 10 faces away from the interior 6 of a combustion chamber, for example.
  • the control structure is a resonant circuit 7 consisting of a conductor track 8 and a capacitor 9.
  • the degradation 5 to be detected is a crack propagation of an existing crack.
  • the heat shield 2 has a ceramic as the component material.
  • the ceramic is mullite.
  • the conductor material of the control structure 4 is an electrically conductive ceramic conductor that is resistant up to a temperature of 800 ° C.
  • the conductor material and the component material are brittle. They show essentially the same fracture toughness.
  • the control structure 4 is applied to the surface section 10 of the heat shield 2 in such a way that any crack 5 in the heat shield 2 that spreads from the edge 11 of the heat shield 2 in the direction of the center 12 of the heat shield 2 and exceeds a certain length continues in the control structure 4 , As soon as the length of the crack 5 exceeds a critical length, the further spreading of the crack 5 leads to a degradation 17 (crack formation) in the control structure 4 (FIG. 1). The electrical properties of the control structure 4 change.
  • the receiver of the high-frequency resonance signal acts, the degradation of the control structure 4 is detected in that no energy that can be received by the antenna 13 is emitted by the control structure 4.
  • the high-frequency resonance property of the resonant circuit 7 is checked in a stationary phase of the gas turbine (FIG. 5).
  • the instantaneous actual value is recorded (method step 51) and checked with a target value (method step 52). If the actual value deviates tolerably from the target value, the functionality of the heat shield 2 is guaranteed.
  • the length of a crack 5 that may be present has not yet reached a critical length.
  • the heat shield does not have to be replaced. If, on the other hand, the actual value and the target value do not differ tolerably from one another, the functionality of the heat shield is no longer guaranteed.
  • the heat shield 2 must be replaced.
  • the heat shield 2 and the control structure 4 are arranged next to one another and firmly connected to one another (method steps 41 and 42, FIG. 4).
  • an electrically conductive, ceramic paste in the form of the control structure 4 is applied to the surface section 10 of the heat shield 2 and sintered together with the heat shield 2. The sintering process takes place
  • control structure 4 consists of a network of inner conductor tracks 14 and outer conductor tracks 14.
  • Each of the conductor tracks 14 and 15 is distinguished by a specific DC resistance.
  • the conductor tracks 14 and 15 are used as electrical contact points 16 Determine the electrical property of the control structure up to the edge of the heat shield 2.
  • the inner conductor tracks 14 are normally not affected by cracks 5. They are used in the determination of the DC resistance of the control structure to check the
  • the inner conductor tracks 14 have a different electrical resistance than the outer conductor tracks 15.
  • the control device 3 and the control structure 4 have no permanent electrical connection to one another.
  • An electrical connection (coupling) between the control device 3 and the control structure 4 is established briefly when determining an electrical parameter (direct current resistance, impedance, capacitance %)
  • a degradation of the heat shield is not detected by measuring the DC resistance of the control structure 4, but rather by measuring the frequency-dependent impedance of the control structure.

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Abstract

Die Anordnung (1) besteht aus einem Bauteil (2) und mindestens einer Kontrollvorrichtung (3) zum Erfassen einer Degradation (5) des Bauteils. Die Kontrollvorrichtung weist eine von einer Funktion des Bauteils entkoppelte elektrisch leitfähige Kontrollstruktur (4) mit einer bestimmten elektrischen Eigenschaft auf. Die Kontrollstruktur und das Bauteil sind derart fest miteinander verbunden sind, dass die Degradation des Bauteils eine Degradation (17) der Kontrollstruktur und damit eine Änderung der bestimmten elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur bewirkt. Das Bauteil ist beispielsweise ein keramisches Hitzeschild einer Brennkammer einer Gasturbine. Die Kontrollstruktur besteht aus einem spröden keramischen Leitermaterial. Ein Riss des Hitzeschildes setzt sich als Riss der Kontrollstruktur fort. Dadurch ändert sich eine Funktion der Kontrollstruktur als Resonator für eingestrahlte, hochfrequente elektromagnetische Wellen, ein Gleichstrom-Widerstand der Kontrollstruktur und eine frequenzabhängige Impedanz der Kontrollstruktur. Die Anordnung wird zur Überprüfung einer Funktionsfähigkeit des Bauteils verwendet. Das Herstellen der Anordnung erfolgt beispielsweise durch gemeinsames Sintern des Bauteils und der Kontrollstruktur.

Description

Anordnung aus einem Bauteil und einer Kontrollvorrichtung, Verfahren zum Herstellen der Anordnung und Verwendung der
Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Bauteil und mindestens einer Kontroll orrichtung zum Erfassen einer Degradation des Bauteils. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen der Anordnung und ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit des Bauteils unter Verwendung der Anordnung angegeben.
Die DE 36 36 321 AI zeigt eine Anordnung und ein Verfahren zur Feststellung des Verschleisszustandes eines Bauteils.
Eine Anordnung der genannten Art ist beispielsweise im
Zusammenhang mit einer Brennkammer einer Gasturbine bekannt. Die Brennkammer weist einen Innenraum und ein den Innenraum umgebendes Gehäuse auf. Im Innenraum der Brennkammer wird ein fossiler Brennstoff verbrannt. Bei der Verbrennung wird eine Temperatur von bis zu 1500°C erreicht. Dabei treten auch korrosive Gase auf, die das Gehäuse der Brennkammer angreifen. Zum Schutz des Gehäuses vor den hohen Temperaturen und vor einem Angriff korrosiver Gase ist die Brennkammer mit einer Vielzahl von sogenannten keramischen Hitzeschilden ausgekleidet.
Ein Hitzeschild ist ein Bauteil aus einem Bauteilmaterial, das eine sehr gute Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Das Bauteilmaterial ist beispielweise ein keramisches Material in Form von Mullit. Aufgrund einer porösen Struktur mit einer Vielzahl von Mikrorissen zeigt das keramische Material ein sehr gutes Thermoschockverhalten. Eine sehr starke TemperaturSchwankung, die beispielsweise beim Unterbrechen des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer der Gasturbine auftritt, wird ausgeglichen, ohne dass das Hitzeschild zerstört wird. Allerdings kann es bei einer mechanischen Überlastung des Hitzeschildes zu einer Degradation des Hitzeschildes kommen. Es kann sich ein Riss (Makroriss) im Hitzeschild bilden. Ein derartiger Riss bildet sich dabei insbesondere an einem Rand des Hitzeschildes. Im Betrieb kann es zu einer Ausbreitung des Risses in Richtung Mitte des Hitzeschildes kommen. Der Riss wirkt sich bis zu einer bestimmten Länge nicht nachteilig auf die Funktionsf higkeit des Hitzeschildes aus und kann deshalb toleriert werden. Überschreitet der Riss aber eine bestimmte Länge, so ist die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes nicht mehr gesichert. Ein Austausch des Hitzeschildes ist erforderlich, um einen durch den Riss verursachten Bruch des Hitzeschildes während des Betriebs der Gasturbine zu vermeiden. Es ist also unbedingt notwendig, einen vorhandenen Riss zu erkennen und die Länge des Risses zu bestimmen.
Das Erfassen des Risses bzw. der Länge des Risses des Hitzeschildes wird während einer Standphase der Gasturbine mit Hilfe einer Kontrollvorrichtung zum optischen Erfassen des Risses durchgeführt . Das Erfassen erfolgt in der Regel vom Innenraum der Brennkammer aus. Dabei wird ein optisch zugänglicher Oberflächenabschnitt des Hitzeschildes kontrolliert, der dem Innenraum der Brennkammer zugewandt ist. Soll dagegen die Rückseite des Hitzeschildes kontrolliert werden, ist dies oft nur mit einem Ausbau des Hitzeschildes möglich. Die Rückseite ist ein
Oberflächenabschnitt des Hitzeschildes, der dem Innenraum der Brennkammer abgekehrt ist. Das aufgezeigte Verfahren zum Erfassen der Degradation und damit zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes ist sehr zeitaufwändig und damit kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen wie eine Degradation eines Bauteils einfach, schnell und sicher erfasst werden kann. Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung aus einem Bauteil und mindestens einer KontrollVorrichtung zum Erfassen einer Degradation des Bauteils angegeben.
Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollvorrichtung mindestens eine von einer Funktion des Bauteils entkoppelte elektrisch leitfähige Kontrollstruktur mit einer bestimmten elektrischen Eigenschaft aufweist, und das Bauteil und die Kontrollstruktur derart fest miteinander verbunden sind, dass die Degradation des Bauteils eine Degradation der Kontrollstruktur und damit eine Änderung der bestimmten elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur bewirkt. Ausserdem besteht keine permanente elektrische Verbindung oder permanente elektromagnetische Kopplung.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Anordnung mit den folgenden Verfahrensschritten angegeben : a) Aneinander Anordnen des Bauteils und der Kontrollstruktur und b) festes Verbinden des Bauteils und der Kontrollstruktur, c) Bereitstellen einer Kontrollvorrichtung (3), die nicht permanent mit der Kontrollvorrichtung (4) elektrisch oder elektromagnetisch verbunden wird.
Darüber hinaus wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit eines Bauteils unter Verwendung der Anordnung angegeben. Das Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit umfasst folgende Verfahrensschritte : a) Bestimmen eines Ist-Wertes mindestens einer bestimmten elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur, wobei eine elektrische oder elektromagnetische Kopplung zwischen Kontrollstruktur (4) und Kontrollvorrichtung (3) hergestellt wird, b) Vergleich des Ist-Wertes der elektrischen Eigenschaft mit einem die Funktionsfähigkeit des Bauteils wiedergebenden Soll-Werts der elektrischen Eigenschaft. Die elektrisch leitfähige Kontrollstruktur ist ein beliebiges strukturiertes Netzwerk aus Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten. Größe, Form und Leitermaterial der Kontrollstruktur und die feste Verbindung der
Kontrollstruktur und des Bauteils sind derart gewählt, dass sich die Degradation des Bauteils in einer Degradation der Kontrollstruktur fortsetzt. Die Degradation der Kontrollstruktur führt zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur. Diese Änderung wird durch den Vergleich des Ist-Werts und des Soll-Werts der elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur erfasst. Mit dem Bestimmen der elektrischen Eigenschaften der Kontrollstruktur ist ein Überprüfen eines Zustands und damit das Überprüfen der Funktionsf higkeit des Bauteils möglich.
Zum Überprüfen des Zustandes des Bauteils ist die Kontrollstruktur beispielsweise an einer kritischen Stelle des Bauteils angebracht. Ein Auftreten der Degradation des Bauteils an der kritischen Stelle führt dazu, dass die
Funktionsfähigkeit des Bauteils nur eingeschränkt oder gar nicht mehr gewährleistet wäre.
Das Bauteil ist beispielsweise ein eingangs beschriebenes Hitzeschild. Die Funktionsfähigkeit des Hitzeschilds ist nur dann gewährleistet, wenn ein sich vom Rand des Hitzeschildes in Richtung Mitte des Hitzeschildes ausbreitender Riss eine bestimmte kritische Länge nicht überschreitet. Die kritische Stelle des Hitzeschildes wäre in diesem Beispiel durch einen bestimmten Abstand vom Rand des Hitzeschildes in Richtung
Mitte des Hitzeschildes festgelegt. Die Kontrollstruktur ist an der Oberfläche des Hitzeschildes in diesem Abstand beispielsweise ringförmig um die Mitte des Hitzeschildes angebracht . Die beschriebene Anordnung aus Hitzeschild und Kontrollvorrichtung kann vorteilhaft auch dazu benutzt werden, um eine Anwesenheit des Hitzeschildes in der Brennkammer zu überprüfen. Liefert die Kontrollstruktur ein entsprechendes Signal, so ist das Hitzeschild vorhanden. Die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes ist gewährleistet. Ist dagegen kein entsprechendes Signal detektierbar, so ist entweder die Degradation des Hitzeschildes so weit fortgeschritten, dass die Kontrollstruktur zerstört ist, oder das Hitzeschild mit der Kontrollstruktur ist nicht mehr vorhanden. In beiden Fällen ist die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes nicht mehr gewährleistet. Durch ein ständiges Überprüfen während einer Betriebsphase des Hitzeschildes bzw. der Brennkammer mit dem Hitzeschild kann auf die Degradation oder das Fehlen des Hitzeschildes sehr schnell reagiert werden. Ein mit der Degradation oder dem Fehlen des Hitzeschildes verbundener Folgeschaden kann beträchtlich eingeschränkt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Degradation des
Bauteils und/oder die Degradation der Kontrollstruktur aus der Gruppe Verformung und/oder Materialabtrag und/oder Rissbildung und/oder Rissausbreitung ausgewählt. Beispielsweise tritt bei dem Bauteil als Verformung eine Verbiegung auf. Wenn die mit dem Bauteil verbundene
Kontrollstruktur aus einem spröden, elektrisch leitfähigen Material besteht, kann die Verbiegung des Bauteils zu einem Riss oder einem Bruch der Kontrollstruktur führen. Damit würde sich beispielsweise ein elektrischer Gleichstrom- Widerstand der Kontrollstruktur ändern. Der Nachweis der
Verbiegung erfolgt durch den Vergleich des Ist-Werts des elektrischen Gleichstrom-Widerstands der Kontrollstruktur mit dem Soll-Wert des elektrischen Gleichstrom-Widerstands . Die Verbiegung ist auch erfassbar, ohne dass das Bauteil direkt zugänglich ist. In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kontrollstruktur mindestens einen elektrischen Schwingkreis auf. Insbesondere ist die bestimmte elektrische Eigenschaft der Kontrollstruktur aus der Gruppe Gleichstrom-Widerstand und/oder Impedanz und/oder Hochfrequenz-Resonanz-Eigenschaft ausgewählt. Somit gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Degradation des Bauteils zu erfassen. Die angegebenen Verfahren können einzeln oder in Kombination mit einander durchgeführt werden.
Das Erfassen der Degradation erfolgt beispielsweise durch eine Resonanzmessung. Dies ist bei einer Kontrollstruktur in Form eines Schwingkreises möglich. Der Schwingkreis wirkt als Resonator für ein Hochfrequenzsignal. Mit Hilfe einer Antenne kann das Hochfrequenzsignal in den Schwingkreis eingekoppelt werden. Das Hochfrequenzsignal wird vom Schwingkreis wieder abgestrahlt und kann von derselben oder einer anderen Antenne erfasst werden. Eine Beschädigung einer Leiterbahn des Schwingkreises führt zu einem veränderten Resonanzverhalten bezüglich einer Frequenz und/oder Amplitude und/oder Phase des Hochfrequenzsignals. Auf diese Weise ist insbesondere eine Degradation eines nicht zugänglichen Oberflächenabschnitts eines Bauteils erfassbar. Die Möglichkeit des Erfassens der Degradation ist dabei nicht von einer Dicke der Hitzeschilde begrenzt. Zum Erfassen der Degradation braucht das Bauteil nur mit der Antenne abgetastet werden. Beispielsweise ist auf der Rückseite des Hitzeschildes einer Brennkammer, die im eingebauten Zustand nicht zugänglich ist, ein Schwingkreis angebracht. In einer Standphase der Gasturbine erfolgt das Erfassen eines Risses durch einfaches Aufsetzen der Antenne auf das Hitzeschild im Innenraum der Brennkammer. Innerhalb kürzester Zeit kann auf dies Weise eine Vielzahl von Hitzeschilden auf ihre Funktionsf higkeit hin überprüft werden. Alternativ dazu kann auch der Gleichstrom-Widerstand gemessen werden. Eine teilweise oder vollständige Unterbrechung einer Leiterbahn der Kontrollstruktur führt zu einer Veränderung des Gleichstrom-Widerstands der Kontrollstruktur. Beispielsweise weist das Bauteil zur elektrischen
Kontaktierung einer nicht zugänglichen Kontrollstruktur eine elektrische Durchkontaktierung (Via) auf. Über die Durchkontaktierung kann der Gleichstrom-Widerstand der Kontrollstruktur gemessen werden. Bei einem in der Brennkammer eingebauten Hitzeschild kann der Gleichstrom- Widerstand beispielsweise dadurch gemessen werden, dass die Kontrollstruktur durch einen Spalt zwischen benachbarten Hitzeschilden hindurch elektrisch kontaktiert wird.
Zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit des Bauteils kann auch eine Impedanzmessung durchgeführt werden. Dabei wird eine frequenzabhängige Impedanz der Kontrollstruktur gemessen. Die Impedanz ändert sich ebenfalls, wenn die Leiterbahn der Kontrollstruktur beschädigt ist. Die elektrische Kontaktierung erfolgt wie bei der Widerstandsmessung.
Ein Kombination der drei angegebenen Messverfahren ist zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Kontrollstruktur vorteilhaft . Es kann eine Minimalfunk ion der Kontrollstruktur überprüft werden.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kontrollstruktur mindestens ein aus der Gruppe metallischer Leiter und/oder keramische Leiter ausgewähltes elektrisch leitfähiges Leitermaterial auf. Denkbar ist beispielsweise, dass die
Kontrollstruktur aus einem sogenannten Cermet aufgebaut ist. In dem Cermet sind Partikel eines metallischen Leiters in einer Keramik derart verteilt, dass eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit resultiert. Alternativ dazu kann die Kontrollstruktur aus einem elektrisch leitfähigen, keramischen Material bestehen. In beiden Fällen liegt ein sprödes Leitermaterial vor. Eine Riss im Bauteil kann sich als Riss in der Kontrollstruktur fortsetzen.
Das Bauteilmaterial des Bauteils und das Leitermaterial der Kontrollstruktur können aus völlig verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften bestehen. Beispielsweise besteht das Bauteil aus einem Metall. Aufgrund einer Duktilität des Metalls kann es zu einer Degradation des Bauteils in Form einer Verbiegung kommen. Damit die Verbiegung mit Hilfe der Kontrollstruktur bestimmt werden kann, wird beispielsweise die Kontrollstruktur elektrisch isolierend auf der Oberfläche des Bauteils aufgebracht. Als elektrischer Isolator fungiert beispielsweise eine Keramik. Wenn nun die Kontrollstruktur aus einem spröden Leitermaterial gebildet ist, führt die Verbiegung des Bauteils zu einem Riss in der Kontrollstruktur. Eine elektrische Eigenschaft der Kontrollstruktur ändert sich. Dadurch ist die Verbiegung des Bauteils nachweisbar.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen ein Bauteilmaterial des Bauteils und das Leitermaterial der Kontrollstruktur eine im Wesentlichen gleiche mechanische Eigenschaft auf. Diese mechanische Eigenschaft ist insbesondere aus der Gruppe Temperaturausdehnungs-Verhalten und Bruchzähigkeit ausgewählt. Bei einem Bauteil in Form eines Hitzeschildes tritt zwischen einer Betriebsphase und einer Standphase der Gasturbine ein sehr großer Temperaturunterschied auf . Im Betrieb wird beispielsweise im Innenraum der Brennkammer eine Temperatur von bis zu 1500 °C erreicht. Durch das im Wesentlichen gleiche Temperaturausdehnungs-Verhalten ist gewährleistet, dass der Kontakt zwischen der Kontrollstruktur und dem Bauteil auch während eines Wechsels zwischen Betriebsphase und Standphase bestehen bleibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bruchzähigkeit des Bauteilmaterials und des Leitermaterials im Wesentlichen gleich sind. Insbesondere dadurch wird erreicht, dass sich ein Bruch oder ein Riss im Bauteil in die Kontrollstruktur fortsetzen kann.
Neben den im Wesentlichen gleichen mechanischen Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn sich das Bauteilmaterial und das Leitermaterial durch eine zumindest ähnliche Stabilität gegenüber einem äußeren Einfluss auszeichnen. Der äußere Einfluss ist beispielsweise eine Atmosphäre oder eine Temperatur, der das Bauteil und/oder die Kontrollstruktur während des Betriebs ausgesetzt sind. Beispielsweise tritt auf dem Oberflächenabschnitt des Hitzeschildes, der dem Innenraum abgekehrt ist, im Betrieb der Brennkammer eine Oberflächentemperatur von bis zu 800 °C auf. Das Leitermaterial der Kontrollstruktur ist daher vorteilhaft bis zu 800°C temperaturbeständig.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kontrollstruktur an einem Oberflächenabschnitt des Bauteils und/oder im Volumen des Bauteils angeordnet. Zum Herstellen der Anordnung wird beispielsweise als Bauteilmaterial des Bauteils und/oder als Leitermaterial der Kontrollstruktur eine Keramik verwendet, Zum festen Verbinden des Bauteils und der Kontrollstruktur wird dazu ein gemeinsames Sintern des Bauteils und der Kontrollstruktur durchgeführt. Beispielsweise wird auf dem Ober lächenabschnitt eines bereits fertigen keramischen Bauteils eine Paste eines keramischen Leitermaterials aufgebracht . Der Oberflächenabschnitt kann dabei von einer im Bauteil befindlichen Nut mit der Form der herzustellenden Kontrollstruktur gebildet sein. Zum Aufbringen der Paste eignet sich beispielsweise ein Siebdruckverfahren oder eine Maskenverf hren. Das Leitermaterial wird dabei je nach Anforderung als Schleife, Spirale oder Mäander aufgetragen. Maßgebend sind hier die Art, Form und Toleranzgrenze der zu erfassenden Degradation. Durch gemeinsames Sintern bei einer Sintertemperatur der Paste bildet sich dann aus der Paste die Kontrollstruktur mit dem keramische Leitermaterial. Denkbar ist auch, dass das Bauteil in Form eines keramischen Grünkörpers vorliegt und auf den keramischen Grünkörper die Paste des keramischen Leitermaterials aufgetragen wird. Durch ein gemeinsames Sintern, bei dem sowohl ein Verdichten des keramischen Bauteilmaterials des Bauteils als auch ein Verdichten des keramischen Leitermaterials der
Kontrollstruktur stattfindet, wird die Anordnung hergestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kontrollstruktur im Volumen des Bauteils angeordnet. Dies gelingt beispielsweise dadurch, dass das Bauteil aus mehreren Schichten besteht . Die Schichten werden zusammen mit der Kontrollstruktur beispielsweise durch gemeinsames Sintern zusammengefügt. Es liegt ein keramischer Mehrschichtkörper vor, in dessen Volumen die Kontrollstruktur integriert ist. Eine eventuell notwendige elektrische Kontaktierung für eine Impedanz- oder Widerstandsmessung erfolgt vorteilhaft über eine elektrische Durchkontaktierung.
Zusammenfas end ergeben sich mit der Erfindung folgende besonderen Vorteile:
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein schnelles, einfaches und zerstörungsfreies Prüfverfahren zum Erfassen einer Degradation eines Bauteils möglich.
Das Bauteil selbst kann eine extrem inhomogene Struktur aufweisen. Ebenso kann das Bauteil eine relativ große Bauteildicke aufweisen. Der Nachweis der Degradation ist auch unter diesen Randbedingungen möglich.
Die Degradation kann auch an einem Oberflächenabschnitt des Bauteils bestimmt werden, der nur schwer zugänglich sind.
- Die Funktionsfähigkeit des Bauteils kann sowohl in einer Standphase als auch in einer Betriebsphase erfolgen. Die Überprüfung der Funktionsfähigkeit erfolgt einfach, schnell und sicher.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der zugehörigen Figuren wird im Folgenden die Erfindung näher vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt eine Degradation eines Bauteils, die sich als Degradation der Kontrollstruktur fortsetzt.
Figur 2 zeigt eine Anordnung aus Bauteil und
Kontrollvorrichtung mit Kontrollstruktur in perspektivischer Darstellung.
Figur 3 zeigt eine auf einem Oberflächenabschnitt des Bauteils aufgebrachte Kontrollstruktur.
Figur 4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung aus Bauteil und Kontrollvorrichtung.
Figur 5 zeigt ein Verfahren zum Überprüfen einer
Funktionsf higkeit eines Bauteils unter Verwendung der Anordnung .
Beispiel 1
Die Anordnung 1 besteht aus einem Bauteil 2 in Form eines Hitzeschildes und einer Kontrollvorrichtung 3 zum Erfassen einer Degradation 5 des Bauteils 1 (Figur 2) . Die Kontrollvorrichtung 3 weist eine auf einem Oberflächenabschnitt 10 des Hitzeschildes 1 aufgebrachte elektrisch leitfähigen Kontrollstruktur 4 mit einer bestimmten elektrischen Eigenschaft auf. Die Kontrollvorrichtung 3 und die Kontrollstruktur 4 weisen keine permanente elektrische Verbindung untereinander auf. Der Oberflächenabschnitt 10 ist dem Innenraum 6 einer Brennkammer bspw. abgekehrt. Die Kontrollstruktur ist ein Schwingkreis 7 bestehend aus einer Leiterbahn 8 und einem Kondensator 9. Die zu erfassende Degradation 5 ist eine Rissausbreitung eines vorhandenen Risses .
Das Hitzeschild 2 weist als Bauteilmaterial eine Keramik auf. Die Keramik ist Mullit. Das Leitermaterial der Kontrollstruktur 4 ist ein bis zu einer Temperatur von 800°C beständiger, elektrisch leitfähigen keramischer Leiter. Das Leitermaterial und das Bauteilmaterial sind spröde. Sie zeigen eine im Wesentlichen gleiche Bruchzähigkeit.
Die Kontrollstruktur 4 ist auf dem Oberflächenabschnitt 10 des Hitzeschildes 2 derart aufgebracht, dass sich jeder Riss 5 im Hitzeschild 2, der sich vom Rand 11 des Hitzeschildes 2 in Richtung Mitte 12 des Hitzeschildes 2 ausbreitet und eine bestimmte Länge überschreitet, in der Kontrollstruktur 4 fortsetzt. Sobald die Länge des Risses 5 eine kritische Länge überschreitet, führt die weitere Ausbreitung des Risses 5 zu einer Degradation 17 (Rissbildung) in der Kontrollstruktur 4 (Figur 1) . Die elektrischen Eigenschaften der Kontrollstruktur 4 ändern sich.
Zum Erfassen der Degradation der Kontrollstruktur 4 und damit zur Erfassung der Degradation 5 des Hitzeschildes 2 wird mit Hilfe einer Antenne 13 Energie in Form eines Hochfrequenz- Signals (elektromagnetisch) in den Schwingkreis 7 eingekoppelt. Auch hier ist keine direkte elektrische Verbindung (feste Kabelverbindung) von Kontrollstruktur 4 und Kontrollvorrichtung 3 notwendig, da eine elektromagnetische Kopplung stattfindet.
Wenn die Kontrollstruktur 4 zerstört ist, kann die Energie nicht in die Kontrollstruktur 4 eingekoppelt werden. Mit der Antenne 13, die nicht nur als Sender, sondern auch als
Empfänger des Hochfrequenz-Resonanz-Signals fungiert, wird die Degradation der Kontrollstruktur 4 dadurch erfasst, dass von der Kontrollstruktur 4 keine durch die Antenne 13 aufnehmbare Energie abgestrahlt wird.
Zum Erfassen der Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes 2, das in einer Brennkammer einer Gasturbine eingebaut ist, wird in einer Standphase der Gasturbine die Hochfrequenz-Resonanz- Eigenschaft des Schwingkreises 7 überprüft (Figur 5) . Es wird der augenblickliche Ist-Wert erfasst (Verfahrensschritt 51) und mit einem Soll -Wert überprüft (Verfahrensschritt 52) . Wenn der Ist-Wert vom Soll-Wert tolerierbar abweicht, ist die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes 2 gewährleistet. Die Länge eines eventuell vorhandenen Risses 5 hat eine kritische Länge noch nicht erreicht. Das Hitzeschild muss nicht ausgetauscht werden. Weichen dagegen Ist-Wert und Soll-Wert nicht tolerabel voneinander ab, so ist die Funktionsfähigkeit des Hitzeschildes nicht mehr gewährleistet. Das Hitzeschild 2 muss ausgetauscht werden.
Zum Herstellen der Anordnung 1 werden das Hitzeschild 2 und die Kontrollstruktur 4 aneinander angeordnet und fest miteinander verbunden (Verfahrensschritte 41 und 42, Figur 4) . Dazu wird eine elektrisch leitfähige, keramische Paste in Form der Kontrollstruktur 4 auf dem Oberflächenabschnitt 10 des Hitzeschildes 2 aufgetragen und gemeinsam mit dem Hitzeschild 2 gesintert. Bei dem Sintervorgang findet ein
Verdichten der elektrisch leitfähigen Paste zum keramischen Leiter statt .
Beispiel 2
Im Gegensatz zur vorhergehend beschriebenen Anordnung besteht die Kontrollstruktur 4 aus einem Netzwerk von inneren Leiterbahnen 14 und äußeren Leiterbahnen 14. Jede der Leiterbahnen 14 und 15 zeichnet sich durch einen bestimmten Gleichstrom-Widerstand aus. An den von Rissen 5 unbeeinflussten Stellen des Hitzeschildes 2 sind die Leiterbahnen 14 und 15 als elektrische Kontaktstellen 16 zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur bis zum Rand des Hitzeschildes 2 geführt. Die inneren Leiterbahnen 14 werden normalerweise durch Risse 5 nicht beeinflusst. Sie dienen bei der Bestimmung des Gleichstrom- Widerstandes der Kontrollstruktur der Überprüfung der
Kontaktstellen 16. Dazu weisen die inneren Leiterbahnen 14 eine anderen elektrischen Widerstand auf als die äußeren Leiterbahnen 15. Die Kontrollvorrichtung 3 und die Kontrollstruktur 4 weisen keine permanente elektrische Verbindung untereinander auf. Eine elektrische Verbindung (Kopplung) zwischen Kontrollvorrichtung 3 und die Kontrollstruktur 4 wird kurzzeitig bei der Bestimmung eines elektrischen Parameters (Gleichstromwiderstand, Impedanz, Kapazität.. ) hergstellt
Bei einem Riss 5 kommt es zur Erhöhung des elektrischen Gleichstrom-Widerstands der durch den Riss 5 zerstörten Leiterbahn 15.
Beispiel 3 :
Es wird mit Hilfe der zuvor beschriebenen Anordnung eine Degradation des Hitzeschildes nicht über die Messung des Gleichstrom-Widerstandes der Kontrollstruktur 4, sondern über die Messung der frequenzabhängigen Impedanz der Kontrollstruktur erfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (1) aus einem Bauteil (2) und mindestens einer Kontrollvorrichtung (3) zum Erfassen einer Degradation (5) des Bauteils (2) , wobei die Kontrollvorrichtung (3) mindestens eine von einer Funktion des Bauteils entkoppelte elektrisch leitfähige Kontrollstruktur (4) mit einer bestimmten elektrischen Eigenschaft aufweist, und wobei das Bauteil (2) und die Kontrollstruktur (4) derart fest miteinander verbunden sind, dass die Degradation (5) des Bauteils (2) eine Degradation (17) der Kontrollstruktur (4) und damit eine Änderung der bestimmten elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur (4) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontrollvorrichtung (3) und die Kontrollstruktur (4) keine permanente elektrische Verbindung untereinander aufweisen.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die Degradation (5) des Bauteils und/oder die Degradation (17) der Kontrollstruktur aus der Gruppe Verformung und/oder Materialabtrag und/oder Rissbildung und/oder Rissausbreitung ausgewählt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Kontrollstruktur (4) mindestens einen elektrischen Schwingkreis (7) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kontrollstruktur (4) mindestens ein aus der Gruppe metallischer Leiter und/oder keramischer Leiter ausgewähltes elektrisch leitfähiges Leitermaterial aufweist .
5. Anordnung nach Anspruch 4 , wobei ein Bauteilmaterial des Bauteils und das Leitermaterial der Kontrollstruktur eine im Wesentliche gleiche mechanische Eigenschaft aufweisen.
6. Anordnung nach Anspruch 5 , wobei die mechanische Eigenschaft zumindest aus der Gruppe Temperaturausdehnungsverhalten und/oder Bruchzähigkeit ausgewählt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kontrollstruktur (4) an einem Oberflächenabschnitt (10) des Bauteils (2) und/oder im Volumen des Bauteils (2) angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bauteil (2) ein Hitzeschild einer Brennkammer ist .
Anordnung nach Anspruch 8, wobei die Kontrollstruktur (4) an einem Oberflächenabschnitt (10) des Hitzeschildes (2) angeordnet ist, der einem Innenraum (6) der Brennkammer abgekehrt ist.
10. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Verfahrensschritten: a) Aneinander Anordnen des Bauteils (2) und der Kontrollstruktur (4) und b) Festes Verbinden des Bauteils und der Kontrollstruktur
(4) c) Bereitstellen einer Kontrollvorrichtung (3), die nicht permanent mit der Kontroll orrichtung (4) elektrisch verbunden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei als Bauteilmaterial des Bauteils und/oder als Leitermaterial der Kontrollstruktur eine Keramik verwendet wird und zum festen Verbinden des Bauteils und der
Kontrollstruktur ein gemeinsames Sintern des Bauteils und der Kontrollstruktur durchgeführt wird.
12. Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit eines Bauteils (1) unter Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Verfahrensschritten: a) Bestimmen eines Ist-Werts mindestens einer bestimmten elektrischen Eigenschaft der Kontrollstruktur (4) mittels der Kontrollvorrichtung (3) , wobei eine elektrische oder elektromagnetische Kopplung zwischen Kontrollstruktur (4) und Kontrollvorrichtung (3) hergestellt wird, b) Vergleich des Ist-Werts der elektrischen Eigenschaft mit einem die Funktionsfähigkeit des Bauteils (1) widergebenden Soll-Werts der elektrischen Eigenschaft.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die bestimmte elektrische Eigenschaft der Kontrollstruktur aus der Gruppe Gleichstrom-Widerstand und/oder Impedanz und/oder Hochfrequenz-Resonanz- Eigenschaft ausgewählt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Bestimmen des Ist-Wertes der bestimmten elektrischen Eigenschaft in einer Betriebsphase des Bauteils und/oder in einer Standphase des Bauteils durchgeführt wird.
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