WO2020030364A1 - Automatisierte klangprobe an mehrkomponentigen bauteilen mittels mustererkennung - Google Patents

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Ingo Balkowski
Ralf Bell
Uwe Pfeifer
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Definitions

  • the invention relates to the automated implementation of sound samples on multicomponent components, such as bands, in which patterns are recognized.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 2.
  • FIG. 4 shows a component with which a sound test is carried out and a measuring arrangement for carrying out the sound test.
  • the description and the figures represent only exemplary embodiments of the invention.
  • the aim is to provide the sound pattern of a new part or a technically approved component, in particular a row of blades, for pattern recognition.
  • the sound pattern of a row of blades must first be assigned. With direct excitation of the row of blades e.g. With a hammer blow, the exact airborne sound and the relevant relevant frequency images can be assigned directly to the row of blades.
  • the assignment of the measured signals to a row of blades is problematic. However, this problem can be solved by individual measurement in the new production.
  • the frequency images of the new condition are stored in a database and are known as blueprints. These blueprints are assigned to a pattern recognition and assigned as a "healthy" row of blades. Alternatively, the frequency images of new components can also be calculated numerically using the finite element method.
  • Striking characteristics of the sound pattern such as the change in frequency over time, the frequency response and the decay behavior can also be determined.
  • Other characteristics of the acoustic evaluation methods can also be used.
  • the signals are evaluated accordingly and fed to the pattern recognition.
  • FIG. 1 shows a frequency image 1 of a component 100 (FIG. 4) when new or before it is used for the first time.
  • the intensity I and the frequency f are plotted. You can see different, not necessarily discrete frequencies with different intensities that are typical for a new component. This is just an example of an acoustic parameter.
  • FIG. 2 shows a frequency image 2 of a component 100 according to use according to FIG. 1.
  • Both the intensity I and the position of the frequencies f have at least partially changed or shifted.
  • the pattern recognition recognizes the deviation from the target status and assigns the blade rows as a component to a further classification such as "acceptable” or "to be exchanged". These classifications are determined beforehand on the basis of preliminary examinations and existing measurements.
  • Figures 1, 2, 3 represent exemplary patterns that are created from the recordings of airborne sound.
  • FIG. 4 shows a detail of a blade dressing 10.
  • the dressing blade 100 includes a plurality of circumferentially Rich ⁇ tung 200 on a rotor 300 arranged as a turbine ⁇ shovel formed blades 11 ', 11'',11'''.
  • the turbine rotor blades essentially comprise a rotor blade 500 which is formed between a cover plate 14 and a blade root (not shown in more detail).
  • the rotor blade blade 500 is designed in such a way that a flow in the direction of the axis of rotation 700 is deflected with thermal energy in such a way that the thermal energy is converted into rotational energy of the rotor 300. To do this, the rotor blade 500 is profiled.
  • the Deckplat ⁇ th 14 ', 14'',14''' are arranged in the circumferential direction 200 hinte purely other.
  • a cover plate 14 ', 14'',14''', ... a force to a Benach ⁇ disclosed cover plate 14 ', 14'',14''', ... exercises.
  • the cover plates 14 ', 14'',14''', ... are thereby biased against each other.
  • the rotor 300 rotates about the axis of rotation 700 at a frequency between 25 Hz and 60 Hz. Larger frequencies are also possible. At these frequencies, a centrifugal force takes place which causes the rotor blades 11 ′, 11 ′′, 11 ′′ ′′ to move in the radial direction 800, which is caused by the blade root, which is held in a groove in the rotor 300 , is prevented.
  • the radial direction 800 is in this case from the rotation axis 700 along the longitudinal substantially form a blade 11 ', 11'',11''', ....
  • Figure 4 is also the implementation of the sound sample Darge represents by means of mechanical excitation, for. B. a Ham mer 17, which is controlled manually or by a pulse generator and can be carried out directly.
  • Component 100 is a vane assembly, here a cover band 14 ', 14' ', 14' '', ... of a turbine vane 11 ', 11' ', 11' '', ... is excited, preferably only a component of the multi-component component (100).
  • the microphone 20 is commercially available and converts the measured sound vibrations directly into electronic data.
  • the electronic data are transmitted with a cable 23 or other type of transmission to a cell phone or mobile electronic device 26 which has a program or an app by means of which the electronic data can be recorded and analyzed and to a service technician directly a recommendation and statement can spend.

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Abstract

Durch eine automatisierte Durchführung der Klangprobe an Schaufelverbänden, bei dem Frequenzbilder von neuen und gebrauchten Bauteilen miteinander verglichen werden, ist eine schnelle und einfache Klassifizierung über den Zustand des Bauteils möglich.

Description

Automatisierte Klangprobe an mehrkomponentigen Bauteilen mittels Mustererkennung
Die Erfindung betrifft die automatisierte Durchführung von Klangproben an mehrkomponentigen Bauteilen, wie Schaufelver bänden, bei dem Muster erkannt werden.
In Dampfturbinen und auch in Kompressoren sowie in Gasturbi nen sind einzelne Schaufelreihen mittels Schaufelfuß und Deckband verbunden. Dadurch entsteht ein fester Verband, der gegen Schwingungsanregung aus dem Strömungsmedium unempfind lich ist. Im Laufe des Betriebs kann sich der Verband lo ckern, wodurch Schaufelschäden, Schäden an angrenzenden Kom ponenten und Leistungsverluste entstehen können. Derzeit wer den die einzelnen Komponenten demontiert, um den Schaufelver band zu inspizieren. Die Begutachtung findet mittels Hammer schlag auf den Verband und subjektiver Bewertung mittels Klangbild statt. Das Klangbild resultiert aus der akustischen Verarbeitung durch das menschliche Gehör.
Problematisch ist die subjektive, potenziell fehlerbehaftete Begutachtung zum einen und zum anderen die zeitraubende De montage der Komponente.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen um weitere Vorteile zu erzielen.
Figur 1, 2 und 3 zeigen Muster der Messungen mittels der Klangprobe,
Figur 4 eine Komponente, mit der eine Klangprobe durchgeführt wird und eine Messanordnung zur Durchführung der Klangprobe. Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Im Wesentlichen geht es darum, das Klangbild eines Neubau teils oder einer technisch freigegebenen Komponente, insbe sondere einer Schaufelreihe einer Mustererkennung zuzuführen. Dazu muss zunächst das Klangbild einer Schaufelreihe zugeord net werden. Bei direkter Anregung der Schaufelreihe z.B. mit tels Hammerschlag kann der genaue Luftschall und die damit bestimmten relevanten Frequenzbilder direkt der Schaufelreihe zugeordnet werden. Bei Anregung einer beschaufeiten Welle oder eines beschaufeiten Gehäuses an einem beliebigen Punkt, insbesondere mittels Hammerschlag, und Messung des Körper schalls an einer anderen beliebigen Stelle, ist die Zuordnung der gemessenen Signale zu einer Schaufelreihe problematisch. Dieses Problem kann jedoch durch Einzelmessung bei der Neu fertigung gelöst werden. Die Frequenzbilder des Neuzustandes werden in einer Datenbank abgelegt und gelten als sogenannte Blueprints. Diese Blueprints werden einer Mustererkennung zu geführt und als „gesunde" Schaufelreihe zugeordnet. Alterna tiv können die Frequenzbilder neuer Komponenten auch nume risch mittels Finite-Elemente Verfahren errechnet werden.
Ebenso können markante Charakteristika des Klangbildes wie die zeitliche Veränderung der Frequenzen, der Frequenzverlauf und das Abklingverhalten bestimmt werden. Andere Charakteris tika der akustischen Auswertemethoden können ebenso verwendet werden .
Bei der Messung des Luftschalls einer gebrauchten Komponente werden die Signale entsprechend ausgewertet und der Muster erkennung zugeführt.
In Figur 1 ist ein Frequenzbild 1 eines Bauteils 100 (Fig. 4) im Neuzustand oder vor dem ersten Einsatz gezeigt.
Aufgetragen ist die Intensität I und gegenüber der Frequenz f . Erkennbar sind verschiedene, nicht unbedingt diskrete Fre quenzen mit verschiedener Intensität, die typisch sind für ein Neubauteil. Dies ist nur ein Beispiel für ein Akustik parameter .
In Figur 2 ist ein Frequenzbild 2 eines Bauteils 100 nach Ge brauch gemäß Figur 1 zu sehen.
Sowohl die Intensität I als auch die Lage der Frequenzen f haben sich zumindest teilweise verändert bzw. verschoben.
Ebenso sieht es aus für das Abklingverhalten der Intensität I über die Zeit t, wobei in Figur 3 ein Abklingverhalten 4 für neue Bauteile dargestellt ist und die Kurve 7, hier gestri chelt, das Abklingverhalten eines gebrauchten Bauteils dar stellt. Da Abklingverhalten 4, 7 ist nur ein Beispiel für ein Akustikparameter .
Dies macht deutlich, dass Unterschiede gegeben sind, die aus gewertet werden können.
Die Mustererkennung erkennt dabei die Abweichung zum Sollzu stand und ordnet die Schaufelreihen als Bauteil einer weite ren Klassifizierung wie "akzeptabel" oder „auszutauschen" zu. Diese Klassifizierungen werden zuvor anhand Voruntersuchungen und vorhandener Messungen festgelegt.
Die Figuren 1, 2, 3 stellen beispielhafte Muster dar, die aus den Aufnahmen des Luftschalls erstellt werden.
Zur Durchführung der Mustererkennung werden u.a. Methoden der Künstlichen Intelligenz angewandt. Die Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Schaufelverbandes 10. Der Schaufelverband 100 umfasst mehrere in Umfangsrich¬ tung 200 auf einem Rotor 300 angeordnete als Turbinenlauf¬ schaufeln ausgebildete Schaufeln 11', 11'', 11'''. Der Über sichtlichkeit wegen sind lediglich drei Turbinenlaufschaufeln mit dem Bezugszeichen 11', 11'', 11''' versehen. Die Turbi nenlaufschaufeln umfassen im Wesentlichen ein LaufSchaufel blatt 500, das zwischen einer Deckplatte 14 und einem nicht näher dargestellten Schaufelfuß ausgebildet ist. Das Lauf¬ schaufelblatt 500 ist dabei derart ausgebildet, dass eine Strömung in Richtung der Rotationsachse 700 mit einer thermi schen Energie derart umgelenkt wird, dass die thermische Energie in Rotationsenergie des Rotors 300 umgewandelt wird. Dazu wird das LaufSchaufelblatt 500 profiliert. Die Deckplat¬ ten 14', 14'', 14''', sind in Umfangsrichtung 200 hinterein ander angeordnet.
Die Deckplatten 14', 14'', 14''', ... sind hierbei als Z-Plat- ten ausgebildet. Der nicht näher dargestellte Schaufelfuß ist als Hammerfuß ausgebildet. Die Deckplatten 14', 14'', 14''',
... sind hierbei derart auf dem Rotor 300 angeordnet, dass eine Deckplatte 14', 14'', 14''', ... eine Kraft auf eine benach¬ barte Deckplatte 14', 14'', 14''', ... ausübt. Die Deckplatten 14', 14'', 14''', ...sind dadurch gegeneinander vorgespannt.
Im Betrieb rotiert der Rotor 300 um die Rotationsachse 700 mit einer Frequenz zwischen 25Hz und 60Hz. Es sind auch grö ßere Frequenzen möglich. Bei diesen Frequenzen erfolgt eine Fliehkraft, die die Laufschaufel 11', 11'', 11''', ... dazu führt, in radialer Richtung 800 sich zu bewegen, was durch den Schaufelfuß, der in einer Nut im Rotor 300 festgehalten ist, verhindert wird. Die radiale Richtung 800 zeigt hierbei von der Rotationsachse 700 im Wesentlichen entlang der Längs ausbildung einer Laufschaufel 11', 11'', 11''', .... Während des Betriebs, d. h. während eine Fliehkraft infolge der Rota¬ tionsfrequenz entsteht, erfolgt eine Entwindung der Lauf schaufel 11', 11'', 11''', ..., was dazu führt, dass die Vor¬ spannung verstärkt wird. Die Entwindung erfolgt hierbei in einer geeigneten Richtung, die gegenüber der radialen Rich tung 800 als Drehachse ausgeführt ist.
In Figur 4 ist ebenso die Durchführung der Klangprobe darge stellt mittels einer mechanischen Erregung, z. B. eines Ham mers 17, die manuell oder durch einen Impulsgeber kontrol liert und direkt durchgeführt werden kann.
Das Bauteil 100 ist ein Schaufelverbund, wobei hier ein Deck band 14', 14'', 14''', ... einer Turbinenschaufel 11', 11'', 11''', ... angeregt wird, also vorzugsweise nur eine Komponente des mehrkomponentigen Bauteils (100).
Dadurch werden Körperschwingungen innerhalb der eingebauten Komponente erzeugt, wodurch mittelbar außerhalb der Kompo nente in der Luft auch Luftschallschwingungen erzeugt werden, die mittels eines Mikrofons 20, das nicht in Kontakt mit der Komponente 14 steht, erfasst werden und aufgenommen werden.
Das Mikrofon 20 ist kommerziell erhältlich und wandelt die gemessenen Schallschwingungen direkt in elektronische Daten um.
Die elektronischen Daten werden mit einem Kabel 23 oder sons tiger Übertragungsart an ein Handy oder mobiles elektroni sches Gerät 26 übertragen, das ein Programm oder eine App aufweist, mittels der die elektronischen Daten erfasst und analysiert werden können und an einen Servicetechniker direkt eine Empfehlung und Aussage ausgeben können.
Die Vorteile sind:
a) eindeutige Zuordnung von defekten Bauteilen, auch mehr- komponentig, mittels objektiver Methode.
b) Vermeidung der Demontage des Bauteils, was eine Kosten- und Zeitersparnis bedeutet und zur Verfügbarkeitsverbesserung führt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Durchführung einer Klangprobe an einem mehrkomponentigen Bauteil (100),
insbesondere eines Schaufelverbunds (100),
bei dem vorab
entweder
durch direkte mechanische Anregung eines mehrkomponentigen Bauteils (100) im Ausgangszustand,
insbesondere eines neuen mehrkomponentigen Bauteils (100), mittels eines Mikrofons (20) der so erzeugte Luftschall gemessen wird,
und relevante Akustikparameter des Luftschalls, insbesondere Frequenzbilder (1) und/oder Frequenzverläufe
(1) und/oder Abklingverhalten (4) oder andere akustische Charakteristika bestimmt werden,
oder
die relevanten Akustikparameter wie Frequenzbilder (1) und/oder, Frequenzverläufe und/oder Abklingverhalten (4) numerisch berechnet werden,
wobei diese in einer Datenbank hinterlegt werden oder wurden und
Durchführung einer Anregung (17),
insbesondere einer mechanischen Anregung (17),
eines Bauteils (100) nach Gebrauch zur Erzeugung von Körper schwingungen in dem Bauteil und dem daraus resultierenden Luftschall ,
Messung des Luftschalls mittels eines beabstandeten Mikrofons (20) ,
Bestimmung der relevanten Akustikparameter,
insbesondere Frequenzbilder (2) und/oder Frequenzverläufe
(2) und/oder Abklingverhalten (7),
wobei diese mit dem Frequenzbild (1) und/oder Frequenz verläufen und/oder Abklingverhalten (4) des Bauteils (100) im Ausgangszustand,
welches in der Datenbank hinterlegt ist,
verglichen wird und Abweichungen detektiert und insbesondere auch bewertet werden .
2. Vorrichtung (30) für eine Klangprobe an einem Bauteil (100) ,
insbesondere eines Schaufelverbundes (100),
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1,
die Mittel,
insbesondere ein Mikrofon (20),
zur Aufnahme von Akustikparametern wie Frequenzbilder (1, 2) und/oder Frequenzverläufen (1, 2) und/oder Abklingverhalten (4, 7) aufweist,
die einem Bauteil (100) im Ausgangszustand zuordnungsbar sind,
oder die relevanten Akustikparameter, insbesondere Frequenz bilder und/oder Frequenzverläufe und/oder Akustikverhalten nummerisch berechnet werden,
eine Datenbank,
in der diese Daten (1, 4, 7) abspeicherbar sind,
und bei dem eine Anregung,
insbesondere mechanische Anregung (17),
an demselben Bauteil (100) nach Gebrauch durchführbar ist, und ebenfalls Akustikparameter,
insbesondere Frequenzbilder (2) und/oder Frequenzverläufen und/oder Abklingverhalten (7) aufnehmbar sind,
wobei diese ebenfalls gespeichert werden und
mit den vorhandenen Akustikparametern, insbesondere Fre quenzbildern (1) und/oder Frequenzverläufe (4) des neuen Bauteils verglichen werden können.
3. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aufnahmen des Luftschalls von dem Mikrofon (20) in Akustikparameter zur Bewertung umgewandelt werden oder werden können.
4. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder zwei der An sprüche 1, 2 oder 3,
bei dem zur Durchführung der Mustererkennung Methoden der künstlichen Intelligenz angewandt werden oder werden können.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem Abweichungen klassifiziert werden oder werden kön nen,
insbesondere zwischen akzeptabel und auszutauschen.
6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Bauteil (100) einen eingebauten Turbinenschau felverband aus Turbinenschaufeln (11', 11'', ...) mit Deckbän dern (14', 14'', 14''', ...) darstellt,
wobei nur eine Komponente (11', 11'', 11''', ...) des mehrkom- ponentigen Bauteils erregt wird.
7. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 6,
bei dem ein Deckband (14', 14'', ...) ,
insbesondere ein Deckband (14', 14'', ...) ,
eines Turbinenschaufelverbands (100) mechanisch (17) ange regt wird oder werden kann.
8. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem ein Mikrofon (20) die Luftschallschwingungen auf nimmt oder aufnehmen kann und
insbesondere elektronisch umwandelt oder umwandeln kann und zur Bewertung mittels eines Kabels (23) oder kabelloser Übertragung an ein mobiles Gerät (26) übermittelt oder über mitteln kann,
welches die Aufnahmen des Mikrofons (20) in elektronischer Form analysiert oder analysieren kann.
9. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
aufweisend ein mobiles Gerät (26),
das elektronisch mit dem Mikrofon (20) verbunden oder gekop pelt werden kann.
10. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1, 2, 3, 6, 7, 8 oder 9,
bei dem das Mikrofon (20) die Luftschallmessungen in eine elektronische Form umwandelt oder umwandeln kann.
PCT/EP2019/068369 2018-08-10 2019-07-09 Automatisierte klangprobe an mehrkomponentigen bauteilen mittels mustererkennung WO2020030364A1 (de)

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