DE19725612A1 - Production of multiaxial non-stationary stresses in sample of material e.g. for gas-turbine blades mfr. - Google Patents
Production of multiaxial non-stationary stresses in sample of material e.g. for gas-turbine blades mfr.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von mehrachsigen, instationären Spannungszuständen in einer Werkstoffprobe, insbesondere für die Lebensdauerun tersuchung von Werkstoffen zur Herstellung von Gasturbinen schaufeln.The invention relates to a method and an apparatus for Generation of multi-axis, transient voltage states in a material sample, especially for the service life testing of materials for the production of gas turbines shovel.
In Gasturbinenschaufeln mit fortschrittlicher Kühltechnolo gie, bei der der hohlen Schaufel von innen Kühlluft zugeführt und diese Kühlluft durch in der Schaufeloberfläche angeord nete Filmkühlbohrungen nach außen austritt, tritt ein kompli zierter Spannungszustand auf, der durch eine inhomogene Tem peraturverteilung in der Schaufelwand, durch aufgrund der Fliehkraft in den Laufschaufeln entstehende Zugspannungen und durch Spannungskonzentrationen im Bereich der Filmkühlbohrun gen bedingt ist.In gas turbine blades with advanced cooling technology gie, in which the hollow blade is supplied with cooling air from the inside and this cooling air is located in the blade surface nete film cooling holes emerges to the outside, a compli graced state of stress, which is characterized by an inhomogeneous tem temperature distribution in the blade wall, due to the Centrifugal force in the blades and tensile stresses due to stress concentrations in the area of the film cooling hole conditions.
Eine weitere Belastung der Gasturbinenschaufel ergibt sich aus den instationären Spannungszuständen beim Anfahren und Abfahren einer Gasturbine, die eine Schädigung des Werkstoffs durch Ermüdung verursachen.There is a further load on the gas turbine blade from the transient voltage states when starting and Shutting down a gas turbine causing damage to the material caused by fatigue.
Um eine sichere Aussage über die Lebensdauer von Gasturbinen schaufeln machen zu können, muß das Verhalten des Schaufel werkstoffs unter diesen Spannungszuständen ermittelt werden, was nur experimentell möglich ist.To make a reliable statement about the life of gas turbines To be able to make shovels must be the behavior of the shovel material are determined under these stress conditions, which is only possible experimentally.
Versuche, mehrachsige Spannungszustände durch große Tempera turunterschiede und/oder inhomogene Temperaturverteilung zu erzeugen, haben bisher keine brauchbaren Ergebnisse erbracht, da entweder die Temperaturunterschiede in der Schaufelwand nicht ausreichend groß waren oder keine brauchbare Beziehung zum tatsächlichen Spannungszustand in einer Gasturbinenschau fel herstellbar war. Ähnliche Problemstellungen können auch in anderen technischen Gebieten auftreten.Attempts to deal with multi-axis stress states through large tempera differences and / or inhomogeneous temperature distribution have so far produced no useful results, because either the temperature differences in the blade wall were not big enough or a useless relationship to the actual state of tension in a gas turbine show was producible. Similar problems can also occur in other technical fields.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von mehrachsigen, instatio nären Spannungszuständen in einer Werkstoffprobe, insbeson dere für die Lebensdaueruntersuchung zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln, zu schaffen, die aufgrund des einge setzten Kühlverfahrens große Temperaturunterschiede zwischen einer gekühlten und einer beheizten Fläche einer Werkstoff probe zu erreichen gestatten und durch Einstellen der wich tigsten, für die Untersuchung relevanten Parameter zu aussa gefähigen Ergebnissen führen.The invention is therefore based on the problem of a method and a device for generating multi-axis, instatio stress states in a material sample, in particular for the life cycle investigation for the production of Gas turbine blades, to create the due to the put large temperature differences between cooling processes a cooled and a heated surface of a material Allow sample to be reached and by setting the wich the most relevant parameters relevant for the investigation lead to acceptable results.
Ausgehend von dieser Problemstellung wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Lösung der Aufgabe angegeben, daß das Verfahren erfindungsgemäß mit den Schritten: Aufhei zen der Oberfläche einer Seite einer Werkstoffprobe auf eine Einsatztemperatur des Werkstoffs, insbesondere eine der Ein satztemperatur in einer Gasturbine entsprechenden Temperatur, Halten dieser Temperatur, Abkühlenlassen, Kühlen der Oberflä che der anderen Seite der Werkstoffprobe durch Prallkühlung mittels im wesentlichen senkrecht auf diese Oberfläche ge richteter Kühlmittelstrahlen durchgeführt wird. Die Prallküh lung kann während der Schritte des Aufheizens, Haltens und Abkühlenlassens oder auch nur während einem oder zweien die ser Schritte durchgeführt werden. Des weiteren können die Schritte des Aufheizens, Haltens und Abkühlenlassens in Ver bindung mit der Prallkühlung zyklisch wiederholt werden, um die Belastung beim Anfahren, Betrieb und Abfahren an Gastur binen zu simulieren. Um auch die Fliehkraftbeanspruchung zu simulieren, kann auf die Werkstoffprobe eine Zugspannung auf gebracht werden.Based on this problem, a method of the type mentioned at the outset for solving the problem, that the method according to the invention with the steps: Aufhei zen the surface of one side of a material sample on a Operating temperature of the material, especially one of the one set temperature in a gas turbine corresponding temperature, Maintain this temperature, let cool, cool the surface the other side of the material sample by impingement cooling by means of essentially perpendicular to this surface directed coolant jets is performed. The baffle lung can be during the heating, holding and Letting it cool down, or just for one or two steps. Furthermore, the Steps of heating, holding and letting cool down in ver bond with the impingement cooling are repeated cyclically in order the load during start-up, operation and shutdown at Gastur simulate bine. To also reduce the centrifugal force can simulate a tensile stress on the material sample to be brought.
Durch die Prallkühlung läßt sich die Kühlwirkung gegenüber einer Kühlmittelströmung parallel zur Oberfläche der Werk stoffprobe so erheblich steigern, daß sich sehr hohe Tempera turunterschiede zwischen der beheizten Oberfläche und der ge kühlten Oberfläche der Werkstoffprobe erreichen lassen.The cooling effect can be compared with the impingement cooling a coolant flow parallel to the surface of the plant Increase the sample so significantly that very high tempera differences between the heated surface and the ge allow to reach the cooled surface of the material sample.
Instationäre Spannungszustände werden dadurch bewirkt, daß die Prallkühlung nicht während aller Schritte des Aufheizens, Haltens und Abkühlenlassens zur Wirkung gebracht wird und/oder daß die Schritte des Aufheizens, Haltens und Abküh lenlassens zyklisch wiederholt werden.Transient voltage states are caused by the fact that the impingement cooling not during all the heating steps, Keeping and cooling down is brought into effect and / or that the heating, holding and cooling steps can be repeated cyclically.
Des weiteren lassen sich instationäre Spannungszustände da durch einstellen, daß die Prallkühlung nur bereichsweise auf die Oberfläche der Werkstoffprobe zur Einwirkung gebracht und dabei relativ zur Werkstoffprobe bewegt wird.Furthermore, transient voltage states can be there by setting that the impingement cooling only in some areas brought the surface of the material sample into effect and is moved relative to the material sample.
Als besonders vorteilhaft hat sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verwendung von Hochleistungs-Infrarotstrahlern zum Heizen erwiesen, die Temperaturunterschiede von 150°C und mehr in Verbindung mit der Prallkühlung zu erreichen ge statten. Um die Prallkühlung mittels im wesentlichen senk recht auf die zu kühlende Oberfläche der Werkstoffprobe ge richtete Kühlmittelstrahlen zu bewirken, kann eine Kühlvor richtung mit einer Kühlmittelzufuhr benachbart zur zu kühlen den Oberfläche angeordnet sein und eine Lochplatte mit gegen die zu kühlende Oberfläche gerichteten Öffnungen versehen sein.Has been particularly advantageous in the case of the invention Process the use of high performance infrared radiators proven for heating, the temperature differences of 150 ° C and more to achieve in conjunction with impingement cooling equip. To lower the impingement cooling using essentially right on the surface of the material sample to be cooled To cause directed coolant jets can be a cooling device direction with a coolant supply adjacent to the cool be arranged the surface and a perforated plate with against the directional openings to be cooled his.
Inhomogene Spannungszustände können des weiteren dadurch her vorgerufen werden, daß die Werkstoffprobe mit in verschiede nen Mustern und Richtungen angeordneten Kühlbohrungen verse hen ist.Inhomogeneous stress states can also result from this be called that the material sample with in various Cooling holes arranged in patterns and directions hen is.
Die Werkstoffprobe und die Vorrichtung für die Prallkühlung können im wesentlichen eben gestaltet sein, jedoch ist die Verwendung einer rohrförmigen Werkstoffprobe und einer in der Werkstoffprobe angeordneten, rohrförmigen Kühlmittelleitung mit radial gerichteten Kühlmittelbohrungen zur Simulierung von Gasturbinenschaufeln bevorzugt. The material sample and the device for impact cooling can be designed essentially flat, but the Use of a tubular material sample and one in the Material sample arranged, tubular coolant line with radially directed coolant holes for simulation preferred by gas turbine blades.
Zur Lösung der vorstehend erwähnten Problemstellung dient des weiteren eine Vorrichtung zum Erzeugen von mehrachsigen, in stationären Spannungszuständen in Werkstoffproben für die Le bensdaueruntersuchung von Werkstoffen, insbesondere zur Her stellung von Gasturbinenschaufeln, die erfindungsgemäß aus einer rohrförmigen Werkstoffprobe, einer in der Werkstoff probe angeordneten, rohrförmigen, an einem Ende geschlossenen Kühlmittelleitung mit radial gerichteten, eine Innenfläche der Werkstoffprobe wenigstens bereichsweise mit Kühlmittel beaufschlagenden Kühlmittelbohrungen und einer eine Außenflä che der Werkstoffprobe wenigstens bereichsweise aufheizende Heizvorrichtung besteht. Bevorzugterweise wird Luft als Kühl mittel verwendet. Das Kühlmittel kann jedoch auch aus einer Flüssigkeit, z. B. Wasser bestehen.To solve the problem mentioned above, the further a device for generating multi-axis, in stationary stress states in material samples for Le Life test of materials, especially for the manufacture position of gas turbine blades, according to the invention a tubular material sample, one in the material sample arranged, tubular, closed at one end Coolant line with radially directed, an inner surface the material sample at least in some areas with coolant coolant holes and an outer surface surface of the material sample, at least in some areas Heater exists. Air is preferably used as cooling medium used. However, the coolant can also be from a Liquid, e.g. B. consist of water.
An der Werkstoffprobe kann eine Zugvorrichtung axial angrei fen, und eine an der Werkstoffprobe und/oder an der Kühlluft leitung angreifende Vorrichtung zum radialen und/oder axialen und/oder drehenden Bewegen der Werkstoffprobe relativ zur Kühlluftleitung kann dazu dienen, die Werkstoffprobe nur be reichsweise und zyklisch veränderlich mit Kühlmittel zu be aufschlagen, um auf diese Weise inhomogene Temperaturvertei lungen in der Werkstoffprobe hervorzurufen.A pulling device can axially pull on the material sample fen, and one on the material sample and / or on the cooling air Line-engaging device for radial and / or axial and / or rotating the material sample relative to the Cooling air line can only serve to sample the material abundant and cyclically changeable with coolant to avoid inhomogeneous temperature distribution lungs in the material sample.
Die durch Filmkühlbohrungen in der Werkstoffprobe verursach ten Spannungskonzentrationen können zu einer Rißeinleitung und -ausbreitung führen, die sich daher unter betriebsrele vanten Belastungsbedingungen untersuchen lassen.That caused by film cooling holes in the material sample Stress concentrations can lead to crack initiation and spread, which are therefore under operational have the load conditions examined.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert, das eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt.The invention is described below with reference to a drawing illustrated embodiment of the closer explained that is a schematic sectional view through an inventive Device shows.
Eine rohrförmige Werkstoffprobe 1 mit einer zu heizenden Außenfläche 10 und einer zu kühlenden Innenfläche 9 ist in einer Haltevorrichtung 3 angeordnet, die auch geeignet ist, auf die Werkstoffprobe 1 eine axial gerichtete Zugkraft auf zubringen, um z. B. die durch die Zentrifugalkraft in der Gasturbine entstehenden Zugspannungen zu simulieren.A tubular material sample 1 with an outer surface 10 to be heated and an inner surface 9 to be cooled is arranged in a holding device 3 , which is also suitable for applying an axially directed tensile force to the material sample 1 in order, for. B. to simulate the tensile stresses generated by the centrifugal force in the gas turbine.
Ggf. kann die Werkstoffprobe 1 in verschiedenen Mustern und Richtungen angeordnete Filmkühlbohrungen 2 aufweisen.Possibly. The material sample 1 can have film cooling holes 2 arranged in different patterns and directions.
An diesen Filmkühlbohrungen 2 können aufgrund der entstehen den Spannungszustände Spannungskonzentrationen mit nachfol gender Rißbildung und -ausbreitung auftreten.At these film cooling holes 2 , stress concentrations with subsequent crack formation and propagation can occur due to the stress states that arise.
In das Innere der Werkstoffprobe 1 ist eine rohrförmige Kühl luftleitung 4 eingesetzt, deren unteres Ende durch einen Bo den 5 verschlossen ist. Auf den zu kühlenden Bereich der In nenfläche 9 der Werkstoffprobe 1 sind radiale Kühlluftbohrun gen 6 in der Kühlluftleitung 4 gerichtet.In the interior of the material sample 1 , a tubular cooling air line 4 is used, the lower end of which is closed by a Bo 5 . On the area to be cooled in the inner surface 9 of the material sample 1 radial Kühlluftbohrun conditions 6 in the cooling air line 4 are directed.
Um die Werkstoffprobe 1 herum ist eine schematisch darge stellte Hochleistungs-Infrarotheizvorrichtung 8 angeordnet. Mittels der Hochleistungs-Infrarotheizvorrichtung 8 läßt sich die Außenfläche 10 der Werkstoffprobe auf eine der Einsatz temperatur des Werkstoffs in einer Gasturbine entsprechenden Temperatur, die an der Oberfläche über 800°C oder sogar über 1000°C betragen kann, aufheizen und auf dieser Temperatur halten. Durch Abschalten der Heizvorrichtung 8 kühlt sich die Außenfläche 10 ab, so daß sich durch zyklisches Wiederholen des Aufheizens, Haltens und Abkühlenlassens die Belastung beim Anfahren, Betrieb und Abfahren einer Gasturbine simulie ren läßt.Around the material sample 1 around a schematically Darge presented high-performance infrared heater 8 is arranged. By means of the high-performance infrared heater 8 , the outer surface 10 of the material sample can be heated to a temperature corresponding to the temperature of use of the material in a gas turbine, which temperature may be above 800.degree. C. or even above 1000.degree. C. and kept at this temperature. By switching off the heating device 8 , the outer surface 10 cools down, so that the load during start-up, operation and shutdown of a gas turbine can be simulated by cyclically repeating the heating, holding and cooling.
Gleichzeitig oder intermittierend wird durch die Kühlluftlei tung 4 Kühlluft zugeführt, die radial durch die Kühlluftboh rungen 6 austritt und im wesentlichen senkrecht auf die In nenfläche 9 der Werkstoffprobe 1 prallt. Hierdurch wird eine hochintensive Kühlung der Innenfläche 9 bewirkt, und es stellt sich eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der Innen fläche 9 und der Außenfläche 10 der Werkstoffprobe 1 ein, die 150°C und mehr betragen kann.Simultaneously or intermittently, cooling air is supplied through the cooling air duct 4 , which exits through the cooling air bores 6 and essentially bounces perpendicularly onto the inner surface 9 of the material sample 1 . This results in a high-intensity cooling of the inner surface 9 , and there is a high temperature difference between the inner surface 9 and the outer surface 10 of the material sample 1 , which can be 150 ° C and more.
Die Kühlluftleitung 4 ist an einer Haltevorrichtung 7 ange ordnet, die sich ggf. so einrichten läßt, daß sie der Kühl luftleitung 4 eine Relativbewegung zur Werkstoffprobe 1 in axialer und/oder radialer Richtung und/oder ggf. auch eine Drehbewegung erteilt. Wenn in diesem Fall die Kühlluftbohrun gen 6 nicht gleichmäßig auf der gesamten Außenoberfläche der Kühlluftleitung 4 verteilt, sondern nur bereichsweise ange ordnet sind, läßt sich durch die Bewegung der Kühlluftleitung 4 eine inhomogene Temperaturverteilung in der Werkstoffprobe 1 hervorrufen, die zu Spannungszuständen führen kann, die ei nen besonderen Aussagewert hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer von Werkstoffen zur Herstellung von Gasturbinen schaufeln besitzen. Ähnlich kann auch die Infrarotheizvor richtung nur bereichsweise auf die Außenfläche 10 der Werk stoffprobe 1 einwirken, während andere Bereiche ungeheizt bleiben.The cooling air line 4 is arranged on a holding device 7 , which can optionally be set up so that it gives the cooling air line 4 a relative movement to the material sample 1 in the axial and / or radial direction and / or possibly also a rotary movement. If in this case the cooling air holes 6 are not evenly distributed over the entire outer surface of the cooling air line 4 , but are only partially arranged, can be caused by the movement of the cooling air line 4 an inhomogeneous temperature distribution in the material sample 1 , which can lead to stress states that have a special value with regard to the expected service life of materials for the manufacture of gas turbines. Similarly, the Infrarotheizvor direction can act only in areas on the outer surface 10 of the material sample 1 , while other areas remain unheated.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, vielmehr sind Abwandlungen möglich, wie z. B. die Verwendung eines anderen Kühlmittels als Kühlluft beispiels weise Wasser, die Verwendung einer anderen Heizvorrichtung als einer Infrarotheizvorrichtung und die Anordnung der Werk stoffprobe als ebener Körper, der durch eine ebene Kühlvor richtung wenigstens bereichsweise mit Kühlmittelstrahlen zum Erzeugen einer Prallkühlung beaufschlagt wird.The invention is not based on the described embodiment limited, rather modifications are possible, such as. B. the Use of a coolant other than cooling air, for example wise water, the use of another heater as an infrared heater and the arrangement of the work fabric sample as a flat body, which is protected by a flat cooling direction at least in some areas with coolant jets for Generating an impingement cooling is applied.
Claims (11)
- - Aufheizen der Oberfläche einer Seite einer Werkstoffprobe auf eine Einsatztemperatur des Werkstoffs, insbesondere auf eine der Einsatztemperatur in einer Gasturbine ent sprechende Temperatur,
- - Halten dieser Temperatur,
- - Abkühlenlassen,
- - Kühlen der Oberfläche der anderen Seite der Werkstoff probe durch Prallkühlung mittels im wesentlichen senk recht auf diese Oberfläche gerichteter Kühlmittelstrah len.
- Heating the surface of one side of a material sample to an operating temperature of the material, in particular to a temperature corresponding to the operating temperature in a gas turbine,
- - maintaining this temperature,
- - Let cool down,
- - Cooling the surface of the other side of the material sample by impingement by means of essentially perpendicular to this surface directed Kühlmittelstrahl len.
- - einer rohrförmigen Werkstoffprobe (1)
- - einer in der Werkstoffprobe (1) angeordneten, rohrförmi gen an einem Ende geschlossenen Kühlmittelleitung (4) mit radial gerichteten, eine Innenfläche (9) der Werkstoff probe (1) wenigstens bereichsweise mit Kühlmittel beauf schlagenden Kühlmittelbohrungen (6) und
- - einer eine Außenfläche (10) der Werkstoffprobe (1) wenig stens bereichsweise aufheizenden Heizvorrichtung (8).
- - a tubular material sample ( 1 )
- - A in the material sample ( 1 ) arranged, rohrförmi gene at one end closed coolant line ( 4 ) with radially directed, an inner surface ( 9 ) of the material sample ( 1 ) at least partially with coolant acting coolant holes ( 6 ) and
- - An outer surface ( 10 ) of the material sample ( 1 ) heating at least in some areas heating device ( 8 ).
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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