WO2009034003A1 - Messung der temperatur eines turbinenbauteils - Google Patents

Messung der temperatur eines turbinenbauteils Download PDF

Info

Publication number
WO2009034003A1
WO2009034003A1 PCT/EP2008/061681 EP2008061681W WO2009034003A1 WO 2009034003 A1 WO2009034003 A1 WO 2009034003A1 EP 2008061681 W EP2008061681 W EP 2008061681W WO 2009034003 A1 WO2009034003 A1 WO 2009034003A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
raman
temperature
stokes
turbine
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/061681
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volkmar LÜTHEN
Oliver Stier
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2009034003A1 publication Critical patent/WO2009034003A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/12—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance
    • G01K11/125—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance using changes in reflectance
    • 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
    • G01J5/0088—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry in turbines
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0801—Means for wavelength selection or discrimination
    • G01J5/0802—Optical filters
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0803—Arrangements for time-dependent attenuation of radiation signals
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0896—Optical arrangements using a light source, e.g. for illuminating a surface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/04—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies
    • G01K13/08—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies in rotary movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/303—Temperature

Definitions

  • the invention relates to a method with the features according to claim 1.
  • a temperature measuring device for turbines from the company LAND instrument under the product name "turbo bine SENTRY” is sold.
  • This temperature measuring device uses a pyrometer, also called radiation thermometer with which the temperature of an object can be contact-mes ⁇ sen. Pyrometric measurement methods use the physi ⁇ 's effect that every object emits infrared radiation whose intensity profile is dependent on the temperature of the Ge ⁇ gens tandes. This radiation is detected by the pyrometer and analyzed.
  • Pyrometric measurement methods are suitable in principle for determining the temperature of a turbine component, each ⁇ but it may lead to measuring errors, particularly if the temperature of turbine components is measured, associated with the hot gas of the turbine directly in contact and so ⁇ with maximum Temperature loads are exposed. These include, for example, the turbine blades of the first turbine row of a turbine.
  • the invention has for its object to provide a method for determining the state of a turbine component.
  • the invention provides that the operating state of a heat protection ⁇ layer of the turbine component is determined during loading ⁇ drive the turbine by, the measured Raman radiation both in terms of the temperature of the
  • Heat protection layer is evaluated as well as with respect to the crystal structure of the heat protection layer and the tempera ⁇ temperature of the heat protection layer indicating temperature measured he testifies ⁇ and outputs and in addition to the temperature measurement additionally generates a warning and output when the measured Raman radiation indicates a conversion of the crystal structure of the heat protection layer ,
  • a significant advantage of the method according to the invention is the fact that this - in contrast to the above-described prior art method of the company LAND Instruments - is not based on a pyrometric measuring principle, but on the principle of Raman spectroscopy.
  • the heat radiation emitted by the turbine component is not measured and evaluated, but the Raman radiation of the turbine component generated by Raman scattering; the Raman radiation is triggered by the photon beam which is directed at the turbine component.
  • Evaluation of the Raman radiation can ensure that the temperature of the turbine component is actually measured and not, for example, the temperature of the hot gas acting on the turbine component; because the spectrum of the Raman radiation is dependent on the phonon band structure of the respective material and therefore very characteristic of the material that generates the Raman radiation. It is therefore readily possible to evaluate exclusively the Raman radiation of the turbine component to be measured and to suppress measurement signals which go back to the hot gas surrounding the turbine component. Measurement errors due to hot gases that are generated during operation of the turbine thus lead, in contrast to pyrometric measurement methods, to no measuring errors.
  • a further significant advantage of the method according to the invention is that the temperature of turbine components which are coated with a heat protection layer, for example a zirconium oxide ceramic layer with a columnar structure or a layer of MCrAlY material, is reliable and very high can measure accurately.
  • a heat protection layer for example a zirconium oxide ceramic layer with a columnar structure or a layer of MCrAlY material
  • Such heat protection layers generally have a very poor emissivity, as well as a high level of reflectivity and semitransparency, so that they have a pyrometric effect. see temperature measurement, as described above, are only partially accessible.
  • a Raman temperature measurement as proposed here according to the invention, is also possible with such heat protection layers with very high measurement accuracy and measurement reliability.
  • the photon beam is generated with a predetermined optical excitation frequency
  • a Stokes signal pair is used, the be ⁇ is a Stokes signal and an associated anti-Stokes signal, the optical frequency of the Stokes signal is smaller than the excitation frequency by one Raman frequency shift of the Stokes signal and the optical frequency of the anti-Stokes signal is greater than the excitation frequency by one Raman frequency shift of the anti-Stokes signal; Raman frequency shift of the Stokes signal is at least approximately as large as the Raman frequency shift of the anti-Stokes signal.
  • a temperature determination can be carried out, for example, by determining at least two intensity values, namely a Stokes intensity value of a Stokes signal of the Raman radiation and an anti-Stokes intensity value of an anti-Stokes signal of the Raman radiation and with the at least two intensity values determining the temperature measurement value becomes.
  • the temperature of the turbine component is preferably determined according to
  • ⁇ the optical excitation frequency of the generated photo ⁇ nenstrahls
  • ⁇ p the frequency amount of the Raman frequency shift for the Stokes signal and the anti-Stokes signal
  • h Planck's constant
  • k the Boltzmann constant
  • Is the Stokes intensity value of the Stokes Signal
  • Ia denote the anti-Stokes intensity value of the anti-Stokes signal.
  • a clearlyformana ⁇ analysis can be carried out for example, by caused in the material of the turbine component due to Raman scattering phonon excitation simulated with computer assistance and the frequency spectra respectively occurring of the Stokes signal and the anti-Stokes signal are calculated.
  • a Stokes signal pair wherein the Raman frequency shift ⁇ p of the Stokes signal and that of the zuge Anlageni ⁇ gen anti-Stokes signal at least 30 THz is; this corresponds to a wave number ⁇ 'of at least 100 cm 1 .
  • the Raman shift Frequenzver ⁇ a wave number of at least 500 to 1000 cm "1 corresponds.
  • the Raman radiation generated by Raman scattering will be usually significantly less than the amplitude or power of the feedback in the measurement set-photon beam in amplitude or quietest ⁇ tung moderately.
  • the light coming from the turbine component Raman radiation is filtered by a band-stop, in particular a notch filter, or vehicle for the optical excitation frequency of the photon beam produced a high damping and the Raman radiation has a lower attenuation.
  • the radiation fraction of the photon beam is thus deliberately suppressed in the evaluation of the Raman scattering, since ⁇ with this no misinterpretation of the measured values or no incorrect calculation of the temperature measurement can trigger.
  • the temperature of a rotating turbine component for example the temperature of a turbine blade of the turbine is measured, so it is considered advantageous if the temperature measurement with the frequency of rotation of the turbine component synchronized in time or is stro- performed stroboscopic.
  • time synchro ⁇ nization can be achieved, for example, that each Tur ⁇ binenschaufel is measured individually.
  • Thus adopted may be is when individual turbine blades have lower temperatures, for example because the heat protection layer is more worn than other blades turbines ⁇ .
  • the pulse duration of such radiation pulses is preferably at most 10 picoseconds, more preferably at most 1 picosecond.
  • the radiation pulses have a pulse repetition rate in nanoseconds. den Kunststoff have. In such a pulse repetition rate can be achieved namely that one and the same measuring point ⁇ can be measured multiple times, or redundant, although the turbine blade rotates; because the rotational speed of a turbine blade is usually only in the Hz range, so that a sufficient frequency separation between measuring frequency and rotational frequency is guaranteed.
  • the temperature of a protective layer of the turbine component preferably as a ⁇ Hitzschutz für is particularly preferred with the described method, in particular a zirconium oxide ceramic layer of columnar structure or a layer of MCrAlY material, determined.
  • the protective layers of turbine components of a pyro- metric temperature measurement are particularly inaccessible, so that the described Raman measuring method produces particularly good measurement results, especially when measuring the temperature of such protective layers.
  • the Raman spectrum of the turbine component is measured spectrally, and is from ⁇ stored Raman spectra that have been penetratenom ⁇ men for at least two different crystal structures of the turbine component is determined by reference to which the crystal structure has the turbine component.
  • the Raman spectrum of the protective layer of the turbine component is measured spectrally, and it is determined by using stored Raman spectra, which have been recorded for at least two different crystal structures of the protective layer, which crystal structure has the protective layer.
  • the crystal structure of a heat protection layer is determined, in particular a zirconium oxide ceramic layer with a columnar structure or a layer of MCrAlY material.
  • the invention further relates to a turbine having the features according to the preamble of claim 17.
  • the device is suitable for determining the operating state of a heat protection layer of a turbine component during operation of the turbine, wherein the evaluation device is suitable for measuring the Raman radiation in terms of both
  • the temperature measuring means includes a band-stop ⁇ , in particular a notch filter, to which the op ⁇ table between the radiation measuring device and the turbine is or are arranged nenbauteil and attenuates the radiation of the optical excitation frequency of the photon beam produced and the radiation for the Raman Radiation leaves undamped, at least less attenuates.
  • a band-stop ⁇ in particular a notch filter, to which the op ⁇ table between the radiation measuring device and the turbine is or are arranged nenbauteil and attenuates the radiation of the optical excitation frequency of the photon beam produced and the radiation for the Raman Radiation leaves undamped, at least less attenuates.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows an embodiment of the
  • FIG. 3 shows by way of example the spectrum of the radiation fed back by a turbine component
  • FIG. 5 shows, by way of example, the time course of photon pulses for exciting the Raman radiation
  • FIG. 6 shows by way of example the determination of the crystal structure of a heat protection layer of a turbine blade on the basis of the Raman spectrum.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of a turbine 10, of which turbine blades 20, 30 and 40, a temperature measuring device 50 and a coupling optics 60 are shown.
  • the coupling optical system 60 comprises a measuring-side coupling element 70 for connection to the temperature ⁇ tower means 50 and a turbine-side coupling element 80 to the optical coupling of the temperature measurement device 50 to one of the turbine blades, such as turbine blade 40th
  • the temperature of a protective layer 41 located on the turbine blade 40 can be measured by generating a photon beam Ph and directing it onto the turbine blade 40 via the coupling optics 60. Due to the Raman effect, the protective layer 41 will generate Raman radiation which will reach the temperature measuring device 50 via the coupling optics 60. The temperature measuring device 50 will evaluate the spectrum and / or amplitude distribution of Raman radiation and to measure the temperature of the protective layer 41 of the turbine show ⁇ fel 40 in this manner. On the output side, the temperature measuring device 50 generates a corresponding measuring signal M.
  • the temperature measuring device 50 comprises a radiation source 100 ⁇ on the output side produces the photon beam Ph v ⁇ with an optical excitation frequency.
  • the photon beam Ph passes through a mirror 110 which is transparent on one side to the measuring-side coupling element 70 of the coupling optics 60 and thus to the turbine blade 40 with the protective layer 41.
  • the temperature measuring device 50 also has a
  • Notch filter 120 which is also known in English as a notch filter.
  • the notch filter 120 is such being rich ⁇ tet that 60 fed back and deflected by the single-transparent mirror 110 the radiation is filtered by this from the turbine blade 40 into the coupling optics and only filtered radiation is detected by a downstream radiation measuring device 130th
  • the electromagnetic radiation fed back from the turbine blade 40 will comprise both the optical excitation frequency ⁇ O of the photon beam Ph and Raman radiation due to the Raman effect, including a Stokes signal Ss having the frequency ⁇ O-vp and an anti-Stokes Signal Sa with the frequency ⁇ O + vP (see Fig. 3). Electromagnetic radiation with at least these three frequencies ⁇ O, ⁇ 0-vP, ⁇ O + vP thus passes through the coupling optics 60 and the one-sided transparent mirror 110 to the notch filter 120.
  • the notch filter 120 will filter out the optical excitation frequency ⁇ O of the photon beam Ph, so that on the output side only the Raman radiation, including the Stokes signal Ss with the frequency ⁇ O-vp and the anti-Stokes signal Sa with the frequency ⁇ + vp, can reach the radiation measuring device 130.
  • the radiation measuring device 130 which may be, for example, a spectrometer, will measure the Stokes intensity value Is of the Stokes signal Ss and the anti-Stokes intensity value Ia of the anti-Stokes signal Sa (see FIG . forward 3) and these values to a downstream direction Ausireein ⁇ 140th
  • the evaluation device 140 will, taking into account the frequency shift vp, determine the temperature T of the protective layer 41 according to the following formula:
  • ⁇ O the optical excitation frequency of the generated photo ⁇ nenstrahls Ph
  • ⁇ p the frequency amount of the Raman frequency shift for the Stokes signal Ss and the anti-Stokes signal Sa
  • h Planck's constant
  • k constant is the Boltzmann
  • Is the Stokes intensity value of the Stokes signal
  • Ia denote the anti-Stokes intensity value of the anti-Stokes Sig ⁇ nals.
  • the evaluation device 140 is then followed by a ent ⁇ speaking temperature measured value M as the output signal of the Tem ⁇ pera tower means 50 from.
  • Figure 3 shows an example of the frequency spectrum of 60 gurgekop ⁇ -coupled radiation from the turbine blade 40 in the coupling optical system: It can be seen, the optical excitation frequency ⁇ of the photon beam Ph and the Stokes signal Ss at the frequency ⁇ O-vP and the anti-Stokes signal Sa at the frequency ⁇ O + vP.
  • Temperature of the turbine blade 40 and the protective layer 41 alone on the basis of two amplitude values, namely the amplitude ⁇ denute of the Stokes signal Ss and the anti-Stokes signal Sa are determined.
  • a particularly high accuracy of measurement can be achieved if a Stokes signal pair is used to determine the temperature measurement value M, which has the largest possible Raman frequency shift between the frequency of the Stokes signal and the frequency of the anti-Stokes signal, that is to say one particular great value 2 * vP. This is shown by way of example in FIG.
  • the ratio between the anti-Stokes intensity value Ia and the Stokes intensity value Is changes as a function of the temperature, the frequency spacing between the Stokes signal Ss and the anti - Stokes signal Sa is given in the form of a wavenumber.
  • the uppermost curve 200 gives the temperature dependence of the quotient Ia / Is for a wavenumber of 100 cm -1
  • the mean curve 210 the dependence of the quotient Ia / Is for a wavenumber of 600 cm -1
  • the curve 220 the dependence of the quotient Ia / Is for a wave number of 1000 cm -1 .
  • the control by the evaluation device 140 takes place in such a way that the radiation source 100 generates the photon beam Ph in the form of radiation pulses 300.
  • the pulse duration Ti of each radiation pulse is preferably at most 10 picoseconds, preferably at most one picosecond.
  • the pulse repetition rate of the radiation pulses 300 is preferably selected such that the distance Tw between successive radiation pulses 300 is in the nanosecond range (1 ns to 1000 ns).
  • the measurement of the Raman radiation is carried out within a limited time window.
  • the length of such a time window is designated in FIG. 5 by the reference symbol Tm; This length is preferably at most 100 picoseconds, special ⁇ DERS preferably less than 10 picoseconds.
  • a temperature measurement M is formed which indicates the temperature T of the turbine blade 40 or the protective layer 41, but also determines which crystalline structure the protective layer 41 has. If it is, the protective layer 41, for example, a heat barrier layer based on zirconium oxide-ceramic material with columnar structure, this has the desired ⁇ state to a monoclinic crystal structure.
  • the electromagnetic radiation fed back from the turbine blade 40 into the coupling optics 60 will accordingly have a Raman spectrum which is typical for a monoclinic crystal structure. This monoclinic crystal structure will retain the zirconia ceramic layer as long as it is not heated above a temperature of about 1400 ° C.
  • the initially monoclinic crystal structure of the zirconium oxide ceramic layer transforms into a tetra- gonal crystal structure that has a different Raman spectrum. This is shown by way of example in FIG. 6 by shifting the Stokes signal. So in the
  • Evaluation device 140 also evaluates the spectral position of the Stokes signal and the anti-Stokes signal, it can be determined whether the heat protection layer 41 still has the ge ⁇ desired monoclinic crystal structure or has already gone into a tetragonal state due to overheating of the turbine blade 40 , Such a transition into the tetragonal state, the evaluation device 140, for example, by a corresponding warning signal W anzei ⁇ gen, which is also discharged at the output of the temperature measuring device 50.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum Messen der Temperatur (T) eines Turbinenbauteils (40, 41), insbesondere einer Turbinenschaufel (40), bei dem elektromagnetische Strahlung gemessen und unter Bestimmung eines Temperaturmesswertes ausgewertet wird. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (100) ein Photonenstrahl (Ph) erzeugt und auf das Turbinenbauteil (40) gerichtet wird und die von dem Photonenstrahl durch Ramanstreuung erzeugte Ramanstrahlung gemessen und unter Bestimmung des Temperaturmesswertes (M) ausgewertet wird.

Description

Beschreibung
MESSUNG DER TEMPERATUR EINES TURBINENBAUTEILS
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der Europäischen Patentan- meidung EP 0 345 949 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Qualität eines Turbinenbauteils gemessen, indem mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle ein Photonenstrahl erzeugt und auf das Turbinenbauteil gerichtet wird und die von dem Photonenstrahl durch Ramanstreuung erzeugte Ra- manstrahlung gemessen und unter Bestimmung der Qualität des Turbinenbauteils ausgewertet wird.
Aus den deutschen Patentschriften DE 10 2004 015 946 und DE 690 33 445 sowie den britischen Patentanmeldungen GB 2 140 554 und GB 2 434 641 ist außerdem der Einsatz der Ramanstrahlung zum Messen der Temperatur bekannt.
Im Übrigen wird eine Temperaturmesseinrichtung für Turbinen von der Firma LAND Instruments unter dem Produktnamen „Tur- bine SENTRY" vertrieben. Diese Temperaturmesseinrichtung benutzt ein Pyrometer, auch Strahlungsthermometer genannt, mit dem sich die Temperatur eines Gegenstandes berührungslos mes¬ sen lässt. Pyrometrische Messverfahren nutzen den physikali¬ schen Effekt aus, dass jeder Gegenstand Infrarotstrahlung emittiert, deren Intensitätsprofil von der Temperatur des Ge¬ genstandes abhängt. Diese Strahlung wird mit dem Pyrometer erfasst und ausgewertet. Zur Bestimmung eines Temperaturmess¬ wertes muss bei der Einfarben-Pyrometrie jedoch der Emis¬ sionsgrad des Gegenstandes, also dessen Wärmeabstrahlfähig- keit, bekannt sein, um eine fehlerarme Messung zu ermögli¬ chen .
Pyrometrische Messverfahren sind zur Bestimmung der Tempera- tur eines Turbinenbauteils zwar grundsätzlich geeignet, je¬ doch kann es zu Messfehlern kommen, insbesondere dann, wenn die Temperatur von Turbinenbauteilen gemessen wird, die mit dem Heißgas der Turbine unmittelbar in Kontakt stehen und so¬ mit maximalen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind. Dazu ge- hören beispielsweise die Turbinenschaufeln der ersten Turbinenreihe einer Turbine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Turbinenbauteils anzugeben.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen an- gegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass während des Be¬ triebs der Turbine der Betriebszustand einer Hitzeschutz¬ schicht des Turbinenbauteils bestimmt wird, indem die gemes- sene Ramanstrahlung sowohl hinsichtlich der Temperatur der
Hitzeschutzschicht als auch hinsichtlich der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht ausgewertet wird und ein die Tempera¬ tur der Hitzeschutzschicht angebender Temperaturmesswert er¬ zeugt und ausgegeben wird sowie neben dem Temperaturmesswert zusätzlich auch ein Warnsignal erzeugt und ausgegeben wird, wenn die gemessene Ramanstrahlung eine Umwandlung der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht anzeigt. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass dieses - im Unterschied zu dem eingangs beschriebenen vorbekannten Verfahren der Firma LAND Instruments - nicht auf einem pyrometrischen Messprinzip basiert, sondern auf dem Prinzip der Raman-Spektroskopie . Es wird somit nicht die von dem Turbinenbauteil emittierte Wärmestrahlung gemessen und ausgewertet, sondern die durch Raman-Streuung erzeugte Raman-Strahlung des Turbinenbauteils; die Raman-Strahlung wird durch den Photonenstrahl ausgelöst, der auf das Turbinenbauteil gerichtet wird. Durch die
Auswertung der Raman-Strahlung lässt sich sicherstellen, dass tatsächlich die Temperatur des Turbinenbauteils und nicht beispielsweise die Temperatur des Heißgases, das auf das Turbinenbauteil einwirkt, gemessen wird; denn das Spektrum der Raman-Strahlung ist abhängig von der Phononenbandstruktur des jeweiligen Materials und daher sehr charakteristisch für das Material, das die Raman-Strahlung erzeugt. Es ist daher ohne Weiteres möglich, ausschließlich die Raman-Strahlung des zu messenden Turbinenbauteils auszuwerten und Messsignale, die auf das das Turbinenbauteil umgebende Heißgas zurückgehen, zu unterdrücken. Messfehler durch heiße Gase, die während des Betriebes der Turbine erzeugt werden, führen somit im Unterschied zu pyrometrischen Messverfahren zu keinen Messfehlern.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich mit diesem auch die Temperatur von Turbinenbauteilen, die mit einer Hitzeschutzschicht, beispielsweise einer Zirkonoxid-Keramikschicht mit säulenförmiger Struktur oder einer Schicht aus MCrAlY-Mate- rial beschichtet sind, zuverlässig und sehr genau messen lässt. Derartige Hitzeschutzschichten weisen im Allgemeinen einen sehr schlechten Emissionsgrad sowie eine hohe Reflekti- vität und Semitransparenz auf, so dass sie einer pyrometri- sehen Temperaturmessung, wie sie eingangs beschrieben wurde, nur eingeschränkt zugänglich sind. Eine Raman-Temperaturmes- sung, wie sie hier erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, ist jedoch auch bei solchen Hitzschutzschichten mit sehr hoher Messgenauigkeit und Messzuverlässigkeit möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Photonenstrahl mit einer vorgegebenen optischen Anregungsfrequenz erzeugt wird, zur Temperaturbestim- mung ein Stokes-Signalpaar herangezogen wird, das aus einem Stokes-Signal und einem zugehörigen Anti-Stokes-Signal be¬ steht, wobei die optische Frequenz des Stokes-Signals um eine Raman-Frequenzverschiebung des Stokes-Signals kleiner als die Anregungsfrequenz und die optische Frequenz des Anti-Stokes- Signals um eine Raman-Frequenzverschiebung des Anti-Stokes- Signals größer als die Anregungsfrequenz ist, und wobei die Raman-Frequenzverschiebung des Stokes-Signals zumindest annähernd genauso groß ist wie die Raman-Frequenzverschiebung des Anti-Stokes-Signals . Durch das Auswerten eines Stokes- Signalspaares lässt sich in sehr einfacher Art und mit sehr hoher Messgenauigkeit die Temperatur des Turbinenbauteils bestimmen, ohne dass das gesamte Spektrum der erzeugten Ra- man-Streuung ausgewertet wird.
Eine Temperaturbestimmung lässt sich beispielsweise durchführen, indem zumindest zwei Intensitätswerte bestimmt werden, und zwar ein Stokes-Intensitätswert eines Stokes-Signals der Ramanstrahlung und ein Anti-Stokes-Intensitätswert eines Anti-Stokes-Signals der Ramanstrahlung und mit den zumindest zwei Intensitätswerten der Temperaturmesswert bestimmt wird.
Vorzugsweise wird die Temperatur des Turbinenbauteils be¬ stimmt gemäß
Figure imgf000007_0001
wobei υθ die optische Anregungsfrequenz des erzeugten Photo¬ nenstrahls, υp den Frequenzbetrag der Raman-Frequenzverschie- bung für das Stokes-Signal und das Anti-Stokes-Signal, h das plancksche Wirkungsquantum, k die Boltzmannkonstante, Is den Stokes-Intensitätswert des Stokes-Signals und Ia den Anti- Stokes-Intensitätswert des Anti-Stokes-Signals bezeichnen.
Liegen das Stokes-Signal und das Anti-Stokes-Signal des Sto- kes-Signalspaares sehr dicht nebeneinander bzw. rutschen sie ineinander, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn eine Linienformanalyse des Spektrums der Ramanstrahlung durchge¬ führt wird, bevor der Stokes-Intensitätswert und der Anti- Stokes-Intensitätswert bestimmt werden. Eine solche Linien- formanalyse ermöglicht es nämlich, die tatsächlich vorliegenden Einzelintensitätswerte zu bestimmen, die sich je nach der Nähe der zwei Einzelsignale des Stokes-Signalspaares mitunter deutlich von denen unterscheiden können, die ohne eine solche Linienformanalyse gemessen werden würden. Eine Linienformana¬ lyse lässt sich beispielsweise durchführen, indem die in dem Material des Turbinenbauteils aufgrund der Raman-Streuung hervorgerufene Phononenanregung computergestützt simuliert und die jeweils auftretenden Frequenzspektren des Stokes-Sig- nals und des Anti-Stokes-Signals errechnet werden.
Im Hinblick auf eine besonders hohe Messgenauigkeit wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zur Temperaturbestimmung ein Stokes-Signalpaar herangezogen wird, bei dem die Raman-Fre- quenzverschiebung υp des Stokes-Signals und die des zugehöri¬ gen Anti-Stokes-Signals jeweils mindestens 30 THz beträgt; dies entspricht einer Wellenzahl υ' von zumindest 100 cm 1 . Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird ausgenutzt, dass der Unterschied zwischen dem Stokes-Intensitätswert und dem Anti-Stokes-Intensitätswert eines Stokes-Signalspaares umso größer und die Messgenauigkeit damit umso besser wird, je größer die Raman-Frequenzverschiebung υp bei dem jeweiligen Stokes-Signalpaar ist. Besonders bevorzugt werden daher Sto- kes-Signalpaare verwendet, bei denen die Raman-Frequenzver¬ schiebung einer Wellenzahl von mindestens 500 bis 1000 cm"1 entspricht.
Die Beziehung zwischen der Frequenz υ und der Wellenzahl υ' lautet bekanntermaßen wie folgt:
υ = υ' /c
wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet.
Wie erfinderseitig festgestellt wurde, wird die durch Raman- Streuung erzeugte Ramanstrahlung amplitudenmäßig bzw. leis¬ tungsmäßig meist deutlich geringer sein als die Amplitude bzw. Leistung des in die Messanordnung rückkoppelnden Photonenstrahls. Um dennoch eine hohe Messgenauigkeit zu errei¬ chen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die von dem Turbinenbauteil kommende Ramanstrahlung mit einer Bandsperre, insbesondere einem Kerbfilter, gefiltert wird, die bzw. das für die optische Anregungsfrequenz des erzeugten Photonenstrahls eine hohe Dämpfung und für die Ramanstrahlung eine demgegenüber geringere Dämpfung aufweist. Bei dieser Ausges- taltung wird somit bei der Auswertung der Raman-Streuung der Strahlungsanteil des Photonenstrahls gezielt unterdrückt, da¬ mit dieser keine Fehlinterpretation der Messwerte bzw. keine falsche Berechnung des Temperaturmesswertes auslösen kann. Wird mit dem Verfahren die Temperatur eines rotierenden Turbinenbauteils, beispielsweise die Temperatur einer Turbinen¬ schaufel der Turbine, gemessen, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Temperaturmessung mit der Rotationsfrequenz des Turbinenbauteils zeitlich synchronisiert bzw. stro- boskopartig durchgeführt wird. Durch eine zeitliche Synchro¬ nisierung lässt sich beispielsweise erreichen, dass jede Tur¬ binenschaufel individuell gemessen wird. Damit kann festge- stellt werden, wenn einzelne Turbinenschaufeln niedrigere Temperaturen aufweisen, weil beispielsweise deren Hitzeschutzschicht stärker abgenutzt ist als bei anderen Turbinen¬ schaufeln .
Um kontinuierlich Temperaturmesswerte zu erzeugen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle der Photonenstrahl in Form von Strahlungs¬ pulsen erzeugt wird. Die Pulsdauer solcher Strahlungspulse beträgt vorzugsweise maximal 10 Pikosekunden, besonders be- vorzugt maximal 1 Pikosekunde.
Um zu vermeiden, dass bei der Messung der Ramanstrahlung auch Strahlungsanteile gemessen werden, die nicht auf dem Raman- Effekt, sondern auf Lumineszenzeffekten basieren, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Messung der Ramanstrahlung innerhalb eines Zeitfensters von hundert Pikosekunden, vor¬ zugsweise innerhalb eines Zeitfensters von zehn Pikosekunden, jeweils nach dem Ende eines jeden Strahlungspulses durchge¬ führt wird; denn Lumineszenzstrahlung tritt zeitlich deutlich später als Ramanstrahlung auf.
Wenn die Temperatur von rotierenden Turbinenschaufeln gemessen werden soll, wird es außerdem als vorteilhaft angesehen, wenn die Strahlungspulse eine Pulswiederholrate im Nanosekun- denbereich aufweisen. Bei einer solchen Pulswiederholrate lässt sich nämlich erreichen, dass ein und dieselbe Mess¬ stelle mehrfach bzw. redundant gemessen werden kann, obwohl sich die Turbinenschaufel dreht; denn die Drehgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel liegt üblicherweise lediglich im Hz- Bereich, so dass ein ausreichender Frequenzabstand zwischen Messfrequenz und Rotationsfrequenz gewährleistet bleibt.
Besonders bevorzugt wird mit dem beschriebenen Verfahren die Temperatur einer Schutzschicht des Turbinenbauteils, vorzugs¬ weise einer Hitzschutzschicht, insbesondere einer Zirkonoxid- Keramikschicht mit säulenförmiger Struktur oder einer Schicht aus MCrAlY-Material, bestimmt. Wie eingangs erläutert, sind gerade die Schutzschichten von Turbinenbauteilen einer pyro- metrischen Temperaturmessung wenig zugänglich, so dass gerade bei der Temperaturmessung solcher Schutzschichten das beschriebene Raman-Messverfahren besonders gute Messergebnisse bringt .
Wie bereits erwähnt, ist vorgesehen, dass bei der Auswertung der Raman-Strahlung nicht nur die Temperatur des Turbinenbauteils gemessen wird, sondern darüber hinaus auch die jeweilige Materialstruktur erfasst wird; dies lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, wenn das Ramanspektrum des Turbi- nenbauteils spektral gemessen wird und unter Heranziehung ab¬ gespeicherter Ramanspektren, die für zumindest zwei unterschiedliche Kristallstrukturen des Turbinenbauteils aufgenom¬ men worden sind, bestimmt wird, welche Kristallstruktur das Turbinenbauteil aufweist. Bei dieser Ausgestaltung des Ver- fahrens kann beispielsweise festgestellt werden, wenn auf¬ grund einer zu hohen Betriebstemperatur der Turbine eine dauerhafte Materialveränderung eingetreten ist, die für den weiteren Betrieb der Turbine unerwünscht oder gar unzulässig ist . Vorzugsweise wird das Ramanspektrum der Schutzschicht des Turbinenbauteils spektral gemessen, und es wird unter Heranziehung abgespeicherter Ramanspektren, die für zumindest zwei unterschiedliche Kristallstrukturen der Schutzschicht aufgenommen worden sind, bestimmt, welche Kristallstruktur die Schutzschicht aufweist.
Vorzugsweise wird die Kristallstruktur einer Hitzeschutz- schicht bestimmt, insbesondere einer Zirkonoxid-Keramik- schicht mit säulenförmiger Struktur oder einer Schicht aus MCrAlY-Material . Eine Bestimmung der Kristallstruktur einer Zirkonoxid-Keramikschicht offenbart beispielsweise, ob die Zirkonoxid-Keramikschicht die für eine optimale Hitzeschutz- Wirkung optimale monokline Struktur aufweist oder aufgrund einer Überhitzung bereits eine unerwünschte tetragonale Kris¬ tallstruktur angenommen hat.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Turbine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen, dass die Einrichtung geeignet ist, während des Betriebs der Turbine den Betriebszustand einer Hitzeschutzschicht eines Turbinenbau¬ teils zu bestimmen, wobei die Auswerteinrichtung geeignet ist, die gemessene Ramanstrahlung sowohl hinsichtlich der
Temperatur der Hitzeschutzschicht als auch hinsichtlich der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht auszuwerten und einen die Temperatur der Hitzeschutzschicht angebenden Temperaturmesswert zu erzeugen und auszugeben sowie neben dem Tempera- turmesswert zusätzlich auch ein Warnsignal zu erzeugen und auszugeben, wenn die gemessene Ramanstrahlung eine Umwandlung der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht anzeigt. Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Turbine und bezüglich der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbine wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da sich die Vorteile im Wesentlichen entsprechen.
Vorzugsweise weist die Temperaturmesseinrichtung eine Band¬ sperre, insbesondere ein Kerbfilter, auf, die bzw. das op¬ tisch zwischen der Strahlungsmesseinrichtung und dem Turbi- nenbauteil angeordnet ist und die Strahlung für die optische Anregungsfrequenz des erzeugten Photonenstrahls dämpft und die Strahlung für die Raman-Strahlung ungedämpft lässt, zumindest demgegenüber weniger dämpft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Turbine mit einer Temperaturmesseinrichtung,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für die
Temperaturmesseinrichtung der Turbine gemäß Figur 1,
Figur 3 beispielhaft das Spektrum der von einem Turbinenbauelement rückgekoppelten Strahlung,
Figur 4 beispielhaft die Abhängigkeit des Intensitätsver¬ hältnisses zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Sig- nal von der Temperatur,
Figur 5 beispielhaft den zeitlichen Verlauf von Photonenpulsen zur Anregung der Ramanstrahlung, und Figur 6 beispielhaft die Bestimmung der Kristallstruktur einer Hitzeschutzschicht einer Turbinenschaufel anhand des Ramanspektrums .
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
In der Figur 1 erkennt man schematisch ein Ausführungsbei- spiel für eine Turbine 10, von der Turbinenschaufeln 20, 30 und 40, eine Temperaturmesseinrichtung 50 sowie eine Koppel¬ optik 60 dargestellt sind. Die Koppeloptik 60 umfasst ein messseitiges Koppelelement 70 zum Anschluss an die Tempera¬ turmesseinrichtung 50 sowie ein turbinenseitiges Koppelele- ment 80 zur optischen Kopplung der Temperaturmesseinrichtung 50 an eines der Turbinenschaufeln, beispielsweise die Turbi¬ nenschaufel 40.
Mit der Temperaturmesseinrichtung 50 lässt sich die Tempera- tur einer auf der Turbinenschaufel 40 befindlichen Schutzschicht 41 messen, indem ein Photonenstrahl Ph erzeugt und über die Koppeloptik 60 auf die Turbinenschaufel 40 gerichtet wird. Aufgrund des Raman-Effekts wird die Schutzschicht 41 Raman-Strahlung erzeugen, die über die Koppeloptik 60 zurück zur Temperaturmesseinrichtung 50 gelangen wird. Die Temperaturmesseinrichtung 50 wird das Spektrum und/oder die Amplitudenverteilung der Raman-Strahlung auswerten und in dieser Weise die Temperatur der Schutzschicht 41 der Turbinenschau¬ fel 40 messen. Die Temperaturmesseinrichtung 50 erzeugt aus- gangsseitig ein entsprechendes Messsignal M.
In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die Tempera¬ turmesseinrichtung 50 gemäß Figur 1 näher dargestellt. Zusätzlich erkennt man die Einkoppeloptik 60 sowie die Turbi- nenschaufel 40 mit der Schutzschicht 41 gemäß der Figur 1. Die Temperaturmesseinrichtung 50 umfasst eine Strahlungs¬ quelle 100, die ausgangsseitig den Photonenstrahl Ph mit einer optischen Anregungsfrequenz vθ erzeugt. Der Photonen- strahl Ph gelangt über einen einseitig durchsichtigen Spiegel 110 zu dem messseitigen Koppelelement 70 der Koppeloptik 60 und damit zu der Turbinenschaufel 40 mit der Schutzschicht 41.
Die Temperaturmesseinrichtung 50 weist darüber hinaus ein
Kerbfilter 120 auf, das englischsprachig auch als Notch-Fil- ter bezeichnet wird. Das Kerbfilter 120 ist derart ausgerich¬ tet, dass von der Turbinenschaufel 40 in die Koppeloptik 60 zurückgekoppelte und von dem einseitig durchsichtigen Spiegel 110 umgelenkte Strahlung durch dieses gefiltert wird und nur gefilterte Strahlung von einer nachgeordneten Strahlungsmesseinrichtung 130 erfasst wird.
Die von der Turbinenschaufel 40 rückgekoppelte elektromagne- tische Strahlung wird sowohl die optische Anregungsfrequenz υO des Photonenstrahls Ph sowie aufgrund des Raman-Effektes auch Raman-Strahlung umfassen, die unter anderem ein Stokes- Signal Ss mit der Frequenz υO-vp sowie ein Anti-Stokes-Signal Sa mit der Frequenz υO+vP aufweist (vgl. Fig. 3) . Elektroma- gentische Strahlung mit zumindest diesen drei Frequenzen υO, υ0-vP, υO+vP gelangt also über die Einkoppeloptik 60 und den einseitig durchsichtigen Spiegel 110 zu dem Kerbfilter 120. Das Kerbfilter 120 wird die optische Anregungsfrequenz υO des Photonenstrahls Ph herausfiltern, so dass ausgangsseitig nur die Raman-Strahlung, unter anderem also das Stokes-Signal Ss mit der Frequenz υO-vp sowie das Anti-Stokes-Signal Sa mit der Frequenz υθ+vp, zur Strahlungsmesseinrichtung 130 gelangen kann.
Die Strahlungsmesseinrichtung 130, bei der es sich beispiels- weise um ein Spektrometer handeln kann, wird den Stokes-In- tensitätswert Is des Stokes-Signals Ss sowie den Anti-Stokes- Intensitätswert Ia des Anti-Stokes-Signals Sa messen (vgl. Fig. 3) und diese Werte an eine nachgeordnete Auswerteein¬ richtung 140 weiterleiten.
Die Auswerteeinrichtung 140 wird unter Berücksichtigung der Frequenzverschiebung vp die Temperatur T der Schutzschicht 41 gemäß folgender Formel bestimmen:
Figure imgf000015_0001
wobei υO die optische Anregungsfrequenz des erzeugten Photo¬ nenstrahls Ph, υp den Frequenzbetrag der Raman-Frequenzver- schiebung für das Stokes-Signal Ss und für das Anti-Stokes- Signal Sa, h das plancksche Wirkungsquantum, k die Boltzmann- konstante, Is den Stokes-Intensitätswert des Stokes-Signals und Ia den Anti-Stokes-Intensitätswert des Anti-Stokes-Sig¬ nals bezeichnen.
Die Auswerteeinrichtung 140 gibt dann anschließend einen ent¬ sprechenden Temperaturmesswert M als Ausgangssignal der Tem¬ peraturmesseinrichtung 50 ab.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft das Frequenzspektrum der von der Turbinenschaufel 40 in die Einkoppeloptik 60 rückgekop¬ pelten Strahlung: Man erkennt die optische Anregungsfrequenz υθ des Photonenstrahls Ph sowie das Stokes-Signal Ss bei der Frequenz υO-vP und das Anti-Stokes-Signal Sa bei der Frequenz υO+vP .
Wie sich den obigen Ausführungen entnehmen lässt, kann die
Temperatur der Turbinenschaufel 40 bzw. die der Schutzschicht 41 allein anhand zweier Amplitudenwerte, nämlich der Amplitu¬ denwerte des Stokes-Signals Ss und des Anti-Stokes-Signals Sa bestimmt werden. Eine besonders große Messgenauigkeit lässt sich dabei erreichen, wenn für die Bestimmung des Temperaturmesswertes M ein Stokes-Signalpaar verwendet wird, das eine möglichst große Raman-Frequenzverschiebung zwischen der Frequenz des Stokes-Signals und der Frequenz des Anti-Stokes- Signals, also einen besonders großen Wert 2*vP aufweist. Dies ist in der Figur 4 beispielhaft gezeigt.
Der Figur 4 lässt sich entnehmen, wie sich das Verhältnis zwischen dem Anti-Stokes-Intensitätswert Ia und dem Stokes- Intensitätswert Is in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei als Parameter für die entsprechende Abhängigkeit der Frequenzabstand zwischen dem Stokes-Signal Ss und dem Anti- Stokes-Signal Sa in Form einer Wellenzahl angegeben ist. Konkret gibt die oberste Kurve 200 die Temperaturabhängigkeit des Quotienten Ia/Is für eine Wellenzahl von 100 cm"1, die mittlere Kurve 210 die Abhängigkeit des Quotienten Ia/Is für eine Wellenzahl von 600 cm"1 und die Kurve 220 die Abhängigkeit des Quotienten Ia/Is für eine Wellenzahl von 1000 cm"1 an. Als Anregungswellenlänge für den Photonenstrahl Ph wurde für alle drei Kurven eine optische Wellenlänge von 488nm he- rangezogen. Die Umrechnung der Wellenzahl υ' in eine optische Frequenz υ v erfolgt bekanntermaßen gemäß υ'=— , wobei c die c
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bezeichnet.
In der Figur 5 ist beispielhaft gezeigt, wie die Auswerteein¬ richtung 140 die Strahlungsquelle 100 mittels eines Steuer¬ signals ST (vgl. Fig. 2) ansteuert. Es lässt sich erkennen, dass die Ansteuerung durch die Auswerteeinrichtung 140 derart erfolgt, dass die Strahlungsquelle 100 den Photonenstrahl Ph in Form von Strahlungspulsen 300 erzeugt. Die Pulsdauer Ti eines jeden Strahlungspulses beträgt vorzugsweise maximal 10 Pikosekunden, vorzugsweise maximal eine Pikosekunde. Die Pulswiederholrate der Strahlungspulse 300 ist vorzugsweise so gewählt, dass der Abstand Tw zwischen aufeinander folgenden Strahlungspulsen 300 im Nanosekundenbereich (1 ns bis 1000 ns) liegt.
Um zu vermeiden, dass bei der Auswertung der von der Turbinenschaufel 40 rückgekoppelten Strahlung auch Lumines- zenzstrahlung mitberücksichtigt wird, die eine Bestimmung der Temperatur der Turbinenschaufel verfälschen könnte, wird die Messung der Raman-Strahlung innerhalb eines begrenzten Zeitfensters durchgeführt. Die Länge eines solchen Zeitfensters ist in der Figur 5 mit dem Bezugszeichen Tm bezeichnet; diese Länge beträgt vorzugsweise maximal 100 Pikosekunden, beson¬ ders bevorzugt weniger als 10 Pikosekunden.
Mit der Temperaturmesseinrichtung 50 gemäß Figur 2 wird vorzugsweise nicht nur ein Temperaturmesswert M gebildet, der die Temperatur T der Turbinenschaufel 40 bzw. der Schutzschicht 41 angibt, sondern darüber hinaus auch festgestellt, welche kristalline Struktur die Schutzschicht 41 aufweist. Handelt es sich bei der Schutzschicht 41 beispielsweise um eine Hitzeschutzschicht auf der Basis von Zirkonoxid-Keramik- material mit säulenförmiger Struktur, so weist diese im Soll¬ zustand eine monokline Kristallstruktur auf. Die von der Tur- binenschaufel 40 in die Einkoppeloptik 60 rückgekoppelte elektromagnetische Strahlung wird dementsprechend ein Raman- Spektrum aufweisen, das für eine monokline Kristallstruktur typisch ist. Diese monokline Kristallstruktur wird die Zir- konoxid-Keramikschicht so lange beibehalten, wie sie nicht über eine Temperatur von ca. 1400° C erhitzt wird. Bei einer Temperatur ab ca. 1400° C wandelt sich die zunächst monokline Kristallstruktur der Zirkonoxid-Keramikschicht in eine tetra- gonale Kristallstruktur um, die ein anderes Raman-Spektrum aufweist. Dies ist in der Figur 6 beispielhaft durch ein Ver- schieben des Stokes-Signals dargestellt. Wird also in der
Auswerteeinrichtung 140 auch die spektrale Lage des Stokes- Signals und des Anti-Stokes-Signals ausgewertet, so lässt sich feststellen, ob die Hitzeschutzschicht 41 noch die ge¬ wünschte monokline Kristallstruktur aufweist oder aufgrund einer Überhitzung der Turbinenschaufel 40 bereits in einen tetragonalen Zustand übergegangen ist. Ein solcher Übergang in den tetragonalen Zustand kann die Auswerteeinrichtung 140 beispielsweise durch ein entsprechendes Warnsignal W anzei¬ gen, das ebenfalls am Ausgang der Temperaturmesseinrichtung 50 abgegeben wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Turbinenbau¬ teils (40, 41), insbesondere einer Turbinenschaufel (40), bei dem
— mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (100) ein Photonenstrahl (Ph) erzeugt und auf das Turbinenbauteil
(40) gerichtet wird und
— die von dem Photonenstrahl durch Ramanstreuung erzeugte Ra- manstrahlung gemessen und unter Bestimmung des Zustands des Turbinenbauteils ausgewertet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass während des Betriebs der Turbine der Betriebszustand einer Hitzeschutzschicht des Turbinenbauteils bestimmt wird, indem - die gemessene Ramanstrahlung sowohl hinsichtlich der
Temperatur der Hitzeschutzschicht als auch hinsichtlich der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht ausgewertet wird und ein die Temperatur der Hitzeschutzschicht angebender Temperaturmesswert erzeugt und ausgegeben wird sowie neben dem Temperaturmesswert zusätzlich auch ein Warnsignal erzeugt und ausgegeben wird, wenn die gemessene Ra¬ manstrahlung eine Umwandlung der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht anzeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
— der Photonenstrahl mit einer vorgegebenen optischen Anregungsfrequenz (υO) erzeugt wird, — zur Temperaturbestimmung ein Stokes-Signalpaar herangezogen wird, das aus einem Stokes-Signal (Ss) und einem zugehöri¬ gen Anti-Stokes-Signal (Sa) besteht, wobei die optische Frequenz (υO-υp) des Stokes-Signals Ss um eine Raman-Fre- quenzverschiebung des Stokes-Signals kleiner als die Anre¬ gungsfrequenz und die optische Frequenz (υO+υp) des Anti- Stokes-Signals (Sa) um eine Raman-Frequenzverschiebung des Anti-Stokes-Signals größer als die Anregungsfrequenz ist, und
- wobei die Raman-Frequenzverschiebung des Stokes-Signals zu¬ mindest annähernd genauso groß ist wie die Raman-Frequenz¬ verschiebung des Anti-Stokes-Signals.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest zwei Intensitätswerte bestimmt werden, und zwar ein Stokes-Intensitätswert (Is) eines Stokes-Signals der Ra- manstrahlung und ein Anti-Stokes-Intensitätswert (Ia) eines Anti-Stokes-Signals der Ramanstrahlung und mit den zumindest zwei Intensitätswerten der Temperaturmesswert bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Temperatur (T) des Turbinenbauteils bestimmt wird gemäß
Figure imgf000020_0001
wobei υO die optische Anregungsfrequenz des erzeugten Photo- nenstrahls, υp den Frequenzbetrag der Raman-Frequenzverschie¬ bung für das Stokes-Signal und das Anti-Stokes-Signal, h das plancksche Wirkungsquantum, k die Boltzmannkonstante, Is den Stokes-Intensitätswert des Stokes-Signals und Ia den Anti- Stokes-Intensitätswert des Anti-Stokes-Signals bezeichnen.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Linienformanalyse des Spektrums der Ramanstrahlung durchgeführt wird, bevor der Stokes-Intensitätswert und der Anti-Stokes-Intensitätswert bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Temperaturbestimmung ein Stokes-Signalpaar herangezogen wird, bei dem die Raman-Frequenzverschiebung des Stokes-Sig- nals und die des zugehörigen Anti-Stokes-Signals jeweils einer Wellenzahl von zumindest 100 cm"1 entspricht.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die von dem Turbinenbauteil kommende Ramanstrahlung mit einer Bandsperre (120), insbesondere einem Kerbfilter, gefiltert wird, die bzw. das für die optische Anregungsfrequenz des erzeugten Photonenstrahls eine hohe Dämpfung und für die Ra¬ manstrahlung eine demgegenüber geringere Dämpfung aufweist.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Temperaturmessung mit der Rotationsfrequenz des Turbinenbauteils zeitlich synchronisiert durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle der Photonenstrahl in Form von Strahlungspulsen (300) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messung der Ramanstrahlung innerhalb eines Zeitfensters (Tm) von hundert Pikosekunden, vorzugsweise innerhalb eines Zeitfensters von zehn Pikosekunden, jeweils nach dem Ende eines jeden Strahlungspulses durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 9-10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Pulsdauer (Ti) der Strahlungspulse maximal zehn Pikose¬ kunden, vorzugsweise maximal eine Pikosekunde, beträgt.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 9-11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Strahlungspulse eine Pulswiederholrate im Nanosekundenbe- reich aufweisen.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Temperatur einer Schutzschicht (41) des Turbinenbauteils (40), vorzugsweise einer Hitzeschutzschicht, insbesondere einer Zirkonoxid-Keramikschicht mit säulenförmiger Struktur oder einer Schicht aus MCrAlY-Material bestimmt wird.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ramanspektrum des Turbinenbauteils spektral gemessen wird und unter Heranziehung abgespeicherter Ramanspektren, die für zumindest zwei unterschiedliche Kristallstrukturen des Turbi¬ nenbauteils aufgenommen worden sind, bestimmt wird, welche Kristallstruktur das Turbinenbauteil aufweist.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ramanspektrum einer Schutzschicht (41) des Turbinenbau¬ teils spektral gemessen wird und unter Heranziehung abgespei¬ cherter Ramanspektren, die für zumindest zwei unterschiedli¬ che Kristallstrukturen der Schutzschicht aufgenommen worden sind, bestimmt wird, welche Kristallstruktur die Schutz¬ schicht aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kristallstruktur einer Hitzeschutzschicht, insbesondere einer Zirkonoxid-Keramikschicht mit säulenförmiger Struktur oder einer Schicht aus MCrAlY-Material, bestimmt wird.
17. Turbine (10) mit einer Einrichtung (50) zum Bestimmen des Zustands der Turbine, wobei die Einrichtung aufweist: —eine elektromagnetische Strahlungsquelle (100) zum Erzeugen eines Photonenstrahls (Ph) ,
—eine Strahlungsmesseinrichtung, die geeignet ist, von dem Photonenstrahl durch Ramanstreuung erzeugte Ramanstrahlung zu messen, und
—eine Auswerteinrichtung, die geeignet ist, durch Auswerten der gemessenen Ramanstrahlung den Zustand der Turbine zu bestimmen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtung geeignet ist, während des Betriebs der Turbine den Betriebszustand einer Hitzeschutzschicht eines Turbinenbauteils zu bestimmen, wobei die Auswerteinrichtung geeignet ist, die gemessene Ra- manstrahlung sowohl hinsichtlich der Temperatur der Hitzeschutzschicht als auch hinsichtlich der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht auszuwerten und - einen die Temperatur der Hitzeschutzschicht angebenden
Temperaturmesswert zu erzeugen und auszugeben sowie neben dem Temperaturmesswert zusätzlich auch ein Warnsignal zu erzeugen und auszugeben, wenn die gemessene Ramanstrahlung eine Umwandlung der Kristallstruktur der Hitzeschutzschicht anzeigt.
18. Turbine nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Temperaturmesseinrichtung eine Bandsperre (120), insbe- sondere ein Kerbfilter, aufweist, die bzw. das optisch zwischen der Strahlungsmesseinrichtung und dem Turbinenbauteil angeordnet ist und die Strahlung für die optische Anregungs¬ frequenz des erzeugten Photonenstrahls dämpft und die Strah¬ lung für die Raman-Strahlung ungedämpft lässt, zumindest dem- gegenüber weniger dämpft.
PCT/EP2008/061681 2007-09-07 2008-09-04 Messung der temperatur eines turbinenbauteils WO2009034003A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007044553.0 2007-09-07
DE102007044553A DE102007044553B3 (de) 2007-09-07 2007-09-07 Verfahren und Anordnung zum Bestimmen des Zustands eines Turbinenbauteil

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009034003A1 true WO2009034003A1 (de) 2009-03-19

Family

ID=40083563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/061681 WO2009034003A1 (de) 2007-09-07 2008-09-04 Messung der temperatur eines turbinenbauteils

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102007044553B3 (de)
WO (1) WO2009034003A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2769546C1 (ru) * 2021-02-05 2022-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Устройство для измерения температуры лопаток газотурбинных двигателей

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201119364D0 (en) * 2011-11-10 2011-12-21 Rolls Royce Plc Determination of component temperature
DE102019201164A1 (de) * 2019-01-30 2020-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Erfassen einer aus einem ersten Werkstoff gebildeten Beschichtung eines Bauteils, insbesondere einer Maschine

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2140554A (en) * 1983-05-26 1984-11-28 Plessey Co Plc Temperature measuring arrangement
GB2219394B (en) * 1988-05-06 1992-09-16 Gersan Ets Sensing a narrow frequency band of radiation and examining objects or zones
DE69033445T2 (de) * 1990-05-22 2000-09-14 Toshiba Kawasaki Kk Gerät und Verfahren zur Temperaturmessung durch Verwendung optischer Fasern
DE102004015946B3 (de) * 2004-03-25 2006-01-12 Ufz-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Raman-spektroskopischen Charakterisierung eines Prozessmediums
US7585107B2 (en) * 2006-01-17 2009-09-08 Weatherford/Lamb, Inc. Corrected DTS measurements based on Raman-Stokes signals

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOACHIM RÖSLER, MARTIN BÄKER, H HARDERS: "Mechanical Behaviour of Engineering Materials: Metals, Ceramics, Polymers, and Composites", 2006, VIEWEG+TEUBNER VERLAG, XP002508218 *
MOLLY M. GENTLEMAN, VANNI LUGHI, JOHN A. NYCHKA, DAVID R. CLARKE: "Noncontact Methods for Measuring Thermal Barrier Coating Temperatures", INT. J. APPL. CERAMIC TECHNOLOGY, vol. 3, no. 2, 2006, pages 105 - 112, XP002508217 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2769546C1 (ru) * 2021-02-05 2022-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Устройство для измерения температуры лопаток газотурбинных двигателей

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007044553B3 (de) 2009-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007042779B4 (de) Kalibrationssubstrat und -verfahren
DE2018663A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Temperaturmessung
DE2831404A1 (de) Optisches pyrometer und technik zur temperaturmessung
DE102006046696A1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung des Abstands zwischen mindestens einer Laufschaufel und einer die mindestens eine Laufschaufel umgebenden Wandung einer Strömungsmaschine
DE102014117918A1 (de) Verfahren zur individuellen Pitchregelung von Rotorblättern einer Windkraftanlage, Beschleunigungssensor für ein Rotorblatt, Rotorblatt mit Beschleunigungssensor, ein Rotor einer Windkraftanlage und Windkraftanlagen
CH703759A2 (de) Heissgastemperaturmessung in einer Gasturbine unter Verwendung eines durchstimmbaren Diodenlasers.
DE102017115927A1 (de) Dehnungs- und Vibrations-Messsystem zur Überwachung von Rotorblättern
EP1429155B1 (de) Verfahren zur Messung des Abstands eines an einer Referenzfläche vorbei gefürhrten Bauteils und Durchführung des Verfahrens
EP1975581A1 (de) Keramische Wärmedämmbeschichtung, insbesondere für ein Turbinenbauteil, sowie Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln der Temperatur eines Turbinenbauteils.
DE102014117914A1 (de) Verfahren zur Erfassung einer Torsionsinstabilität eines Rotorblatts einer Windkraftanlage und Profil für ein Rotorblatt
WO2009034003A1 (de) Messung der temperatur eines turbinenbauteils
EP2825859B1 (de) Vorrichtung zum bestimmen der temperatur eines substrats
EP0874950A2 (de) Vorrichtung zur überwachung des radialspiels zwischen turbinengehäuse und schaufelspitzen
WO2009135814A1 (de) Temperaturmessung an teilen einer strömungsmaschine
EP2289152B1 (de) Anordnung mit einer elektrischen maschine sowie verfahren zum betreiben einer elektrischen maschine
EP1835270A1 (de) Temperatursensor für eine Turbine
EP1802948B1 (de) Verfahren zum ermitteln der temperatur einer oberflächenbeschichtung
DE102005036525B3 (de) Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases sowie Verwendung der Anordnung zur Bestimmung der Gastemperatur eines Gases
DE102009017796B4 (de) Optische Sonde und Lichtschranke für eine Strömungsmaschine sowie zugehörige Verfahren
DE102016108545A1 (de) NDIR-Gassensor und Verfahren zu dessen Kalibrierung
DE102017216279A1 (de) Verfahren zur Erkennung einer Fehlstellung der Winkellage einer in einem Verdichter angeordneten, um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufel
EP2906825A1 (de) Verfahren zum einstellen eines pitch-winkels von rotorblättern
DE10332248B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Lichtleiteraufnehmers
EP0803062B2 (de) Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der schichtdicke, der leitfähigkeit und/oder der schichtkontaktgüte von auf substraten aufgetragenen schichten
DE4028408A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen temperaturmessung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08803651

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08803651

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1