WO1998005921A1 - Verfahren zur wanddickenbestimmung an einer turbinenschaufel und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents
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Definitions
- An adaptation function that contains the wall thickness as a parameter is preferably specified and the wall thickness is calculated by adapting the adaptation function to the measured temperature profile.
- FIG. 2 shows a flow diagram to illustrate the functional flow when determining the wall thickness and the linking of the functional units used
- Fig. 4 shows a section along the section line IV-IV
- the infrared thermography camera 2 works in a temperature range from 0 ° C to 200 ° C with a resolution of up to 0.05 ° C. It is mounted on a cross slide-like manipulator 16, with which the camera 2 along the three spatial axes x , y and z in FIG. 1 can be maneuvered via the control unit 4. Together with the arrangement of the test part holder 3 on a turntable 17, the camera 2 and the gas turbine blade 15 to be tested can be automatically positioned relative to one another via the control unit 4.
- This control unit 4 is a first computer of the overall system, which also carries out the temperature and voltage regulation and controls the triggering of the camera 2 and the flash lamp unit 1.
- the personal computer of the control unit 4 is therefore the actual control computer for the system components.
- thermography camera 2 has an infrared detector with a resolution of 768 x 600 lines, which results in a local resolution of approximately 0.3 mm when the thermographic image of the test part is recorded leads.
- the recording frequency is 25 Hz, which means that a thermographic image of the test part 15 can be recorded every 40 milliseconds. In total, for example, 30 images are recorded at the specified time interval, which leads to a measuring time of 1.2 seconds.
- the camera 2 can also operate in a line scan mode, that is, scan an object line by line, which is particularly advantageous for the detection of fast processes.
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Abstract
Bei einem Verfahren und einer entsprechend ausgelegten Vorrichtung zur Wanddickenbestimmung an einer Turbinenschaufel (15), insbesondere für eine stationäre Gasturbine, wird der zu untersuchende Oberflächenbereich (i) durch Bestrahlen mit Lichtblitzen impulsartig aufgeheizt, die zeitliche Veränderung der Temperaturverteilung des Oberflächenbereiches (i) mittels einer IR-Thermographie-Kamera (2) aufgezeichnet und die unbekannte Wanddicke (di) berechnet.
Description
Beschreibung
Verfahren zur Wanddickenbestimmung an einer Turbinenschaufel und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wanddickenbestimmung an einer Turbinenschaufel, insbesondere an einer Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine.
In dem Artikel „Zerstörungsfreies Prüfen per Thermographie" von Günter Zenzinger und Ludwig Steinhauser, MTU Report 2/93, MTU München, ist beschrieben, wie mittels einer Impuls-Video- Thermographie Wanddicken an einer hohlen Turbinenschaufel bestimmt werden können. Gasturbinenschaufein weisen in der Re- gel eine innere Kühlstruktur auf, welche durch Hohlräume und Kanäle gebildet ist, durch die ein Kühlmittel geleitet werden kann. Die Oberfläche einer solchen Gasturbinenschaufel weist somit abhängig von der darunter liegenden Kühlstruktur unterschiedliche Wanddicken auf. Mittels Blitzlampen wird die Oberfläche einer solchen Turbinenschaufel erwärmt und ein sich nach einer bestimmten Zeit einstellendes Wärmebild mit einer Infrarotkamera aufgenommen. Dünne Wände kühlen langsamer ab als dicke Wände. Daraus ergibt sich abhängig von der Wanddicke an der Oberfläche ein Kontrast im Wärmebild. Durch einen Vergleich mit einem Referenzkörper kann auf die Wanddicke geschlossen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wanddickenbestimmung an einer Turbinen- schaufei anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf Angabe eines Verfahrens gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Wanddicke eines Oberflächenbereiches einer Turbinenschaufel, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, mit folgenden Verfahrensschritten : - impulsartiges Aufheizen des Oberflächenbereiches,
- Aufzeichnen des zeitlichen Temperaturverlaufes der Temperatur des Oberflächenbereiches mittels einer Infrarot-Ther o- graphie-Kamera und
- Berechnen der Wanddicke aus dem Temperaturverlauf .
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß genaue und gut auswertbare Aussagen über Wanddicken mittels Impuls-Video- Ther ographie durch eine Aufzeichnung des zeitlichen Tempera- turverlaufes des zu untersuchenden Oberflächenbereiches mög- lieh sind. Insbesondere folgt aus einer solchen zeitaufgelö- sten Messung eine sicherere Berechnung der Wanddicke im Vergleich zu einer Thermographie-Messung, die lediglich ein Wärmebild zu einem bestimmten Zeitpunkt beinhaltet.
Bevorzugt wird ein Referenz-Oberflächenmeßbereich eines Referenzkörpers bekannter Dicke impulsartig auf eine Referenz-Anfangstemperatur aufgeheizt; des weiteren wird ein Referenz- temperaturverlauf des Referenzkörpers bestimmt sowie eine Re- sponsezeit und eine Referenz-Responsezeit festgelegt, zu der sich jeweils ein vorgegebener und für beide Zeiten gleich großer prozentualer Abfall von der Anfangstemperatur bzw. von der Referenz-Anfangstemperatur eingestellt hat; weiter wird die Wanddicke mittels der Responsezeit und der Referenzre- sponsezeit aus einem funktioneilen Zusammenhang ermittelt .
Bevorzugtermaßen werden in einer ersten Ausgestaltung der Temperaturverlauf, der Referenztemperaturverlauf und die Zeit logarithmiert, wobei eine jeweilige erste Tangente an den asymptotischen Temperaturverlauf und an den asymptotischen Referenztemperaturverlauf bei großen Zeiten sowie eine jeweilige zweite Tangente an den Temperaturverlauf und an den Referenztemperaturverlauf in einem Bereich der Krümmung des Temperaturverlaufes und des Referenztemperaturverlaufes vor dem jeweiligen asymptotischen Verlauf angelegt wird; wobei aus den Schnittpunkten der jeweiligen ersten und zweiten Tangenten die Responsezeit und die Referenzresponsezeit gewonnen werden und wobei die Wanddicke nach der Beziehung
d ki - = V ( dr 2t± / tr ) In ( (τexp r Vtr) / (τeχp i Vt )
Zu bestimmende Wanddicke, dY Wanddicke des Referenzkörpers, tr: Referenzresponsezeit, t1 : Responsezeit des Oberflächenmeßbereiches, τexP r/τexpι: Oberfächentemperatur des Referenz-Oberflä- chenmeßbereichs beziehungsweise des Oberflächenmeßbereiches, aus der Responsezeit und der Referenzresponsezeit berechnet wird.
Bevorzugt wird eine Anpassungsfunktion, die die Wanddicke als Parameter enthält, vorgegeben und die Wanddicke durch Anpassung der Anpassungsfunktion an den gemessenen Temperaturverlauf berechnet .
Weiter bevorzugt enthält die Anpassungsfunktion mit der Zeit exponentiell abklingende Summanden und ist insbesondere definiert als :
F(ι) = A + lA∑ e-"1 Bf rr=l mi
A = Wa/(λdi) und B = π2a/ä± 2 , wobei d1 die zu bestimmende Wanddicke,
W die impulsartig in den Oberflächenmeßbereich eingebrachte
Wärmemenge, N eine die Genauigkeit einstellende, wählbare ganze Zahl ist, und wobei folgende Größen Eigenschaften des
Turbinenschaufelwerkstoffes sind: • λ die Wärmeleitfähigkeit,
• a die Temperaturleitzahl, welche sich aus der
• Wärmekapazität cp, der
• Dichte p und der
• Wärmeleitf higkeit λ nach a = λ/(cpp) ergibt.
Eine solche Berechnung ermöglicht eine absolute Bestimmung einer Wanddicke, also ohne einen Vergleich mit einem Referenzkörper. Ein solcher Vergleich ist zeitaufwendig und mit Unsicherheiten behaftet. Insbesondere bei wechselnden Schaufelformen erfordert der Bezug auf eine Referenzschaufel die Fertigung passender Referenzεchaufein. Mit dem angegebenen Verfahren ist unmittelbar aus dem aufgezeichneten Temperaturverlauf die Wanddicke bestimmbar.
Bevorzugt wird für eine Vielzahl von Oberflächenmeßbereichen jeweils eine Wanddicke, insbesondere durch zeilenweise Abtastung, mittels der Infrarot-Thermographie-Kamera bestimmt.
Weiter bevorzugt erfolgt das impulsartige Aufheizen durch einen Lichtblitz mit einer Dauer zwischen 1 und 10 ms, vorzugsweise zirka 4 ms. Bevorzugtermaßen wird eine Blitzlicht-Energie von 10 kJ bis 30 kJ, insbesondere von 20 kJ bis 25 kJ eingestrahlt. Die Blitzlicht-Energie wird bevorzugt mit min- deεtens vier Blitzlampen eingebracht. Weiter bevorzugt erfolgt die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes in einem Mindest- Temperaturbereich von 0° C bis 200° C bei einer Temperaturauflösung von mindestens 0,05° C. Bevorzugt erfolgt die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes mit einer Aufzeichnungs- frequenz von mindestens 25 Hz. Bevorzugt ist der Oberflächenbereich kleiner als 0,16 mm2, vorzugsweise kleiner als 0,09 mm . Bevorzugtermaßen wird der Oberflächenbereich vor dem impulsartigen Aufheizen gleichmäßig geschwärzt.
Die auf eine Vorrichtung zur Durchführung des oben genannten Verfahrens bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung umfassend:
- eine computergestützte Steuereinheit zur Steuerung der Vorrichtungskomponenten und des Meßablaufes, - eine Blitzlampeneinheit zum impulsartigen Aufheizen des Oberflächenbereiches,
- eine IR-Thermographie-Kamera zur Aufzeichnung des zeitlichen Temperaturverlaufes des Oberflächenbereiches, und
- eine computergestützte Auswerteeinheit zur Berechnung der Wanddicke.
Die Vorteile einer solchen Vorrichtung ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Verfahrens zur Wanddickenbestimmung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Thermographie-PrüfStandes,
Fig. 2 ein AblaufSchema zur Darstellung des funktionalen Ablaufs bei der Wanddickenbestimmung und der Verknüpfung der dabei eingesetzten Funktionseinheiten,
Fig. 3 eine Ansicht einer Turbinenschaufel einer stationären Gasturbine in geschnittener Darstellung,
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie IV- IV nach
Fig. 3,
Fig. 5 ein Modellschema zur Erläuterung der Wanddickenbe- εtimmung, und
Fig. 6 und 7 qualitative Zeit-Temperatur-Diagramme zur Dar- Stellung des Temperaturverlaufes nach der Impulsbe- strahlung eines Oberflächenmeßbereiches beziehungsweise eines Referenzkörpers .
Der in Fig. 1 dargestellte Thermographie-Prüfstand weist als Kernstücke eine Blitzlampeneinheit 1, eine Infrarot-Thermographie-Kamera 2, eine Prüfteilaufnähme 3 sowie eine Steuer-
einheit 4 auf. Der gesamte Prüfstand ist dabei in einer Kammer 5 untergebracht, die über Lüfter 6 klimatisiert wird.
Die vorstehend grob umrissenen PrüfStandskomponenten dienen zur Durchführung eines später noch zu erläuternden Impuls -Video Thermographie-Verfahrens mittels Blitzlicht. Um den Prüf- εtand gleichzeitig für ein transmissionsthermographischeε Meßverfahren geeignet zu machen, weist er ferner einen Heiß- lufttank 7 und einen Kaltlufttank 8 auf, die über eine Zulei- tung 9 mit der Prüfteilaufnähme 3 verbindbar sind.
Für die Energieversorgung der Blitzlampeneinheit sind Kondensatorblöcke 10 vorgeεehen. Ebenfallε εchematisch angedeutet ist ein Temperaturregelgerät 11 für den Prüfstand.
Die Blitzlampeneinheit 1 weist vier im Viereck angeordnete und an einem Gestell 12 aufgehängte Blitzlampen 13 auf, die jeweils pro emittiertem Lichtblitz eine Lichtenergie von bis zu 6,4 kJ abεtrahlen. Die Impulsdauer der Blitze beträgt zirka 5 Millisekunden. Im übrigen ist das Gestell 12 der
Blitzlampeneinheit 1 quer zur Aufnahmerichtung A der Kamera 2 an einer Führung 14 verschiebbar, um die Blitzlampeneinheit 1 komplett aus dem Aufnahmebereich der Kamera 2 entfernen zu können. Dieseε ist beispielsweise für das oben angesprochene tranεmissionsthermographische Meßverfahren von Vorteil, bei dem die Blitzlampeneinheit 1 nicht benötigt wird.
Die Infrarot-Thermographie-Kamera 2 arbeitet in einem Temperaturbereich von 0 ° C bis 200 ° C mit einer Auflösung von bis zu 0,05 ° C. Sie ist auf einem kreuzschlittenartigen Manipulator 16 montiert, mit dem die Kamera 2 entlang der drei Raumachsen x, y und z in Fig. 1 über die Steuereinheit 4 manövrierbar ist. Zusammen mit der Anordnung der Prüfteilauf - nähme 3 auf einem Drehteller 17 ist eine automatische Posi- tionierung von Kamera 2 und zu prüfender Gasturbinen-Schaufel 15 zueinander über die Steuereinheit 4 möglich.
Bei dieser Steuereinheit 4 handelt es sich um einen ersten Rechner des Gesamtsystems, der auch die Temperatur- und Spannungsregelung durchführt sowie die Auslösesteuerung der Kamera 2 und der Blitzlampeneinheit 1 vornimmt. Bei dem Perso- nalcomputer der Steuereinheit 4 handelt es sich also um den eigentlichen Steuerrechner für die Systemkomponenten.
Zur Spezifizierung der Infrarot-Thermographie-Kamera 2 ist noch festzuhalten, daß sie einen Infrarot-Detektor mit einer Auflösung von 768 x 600 Linien aufweist, die zu einer örtlichen Auflösung von etwa 0,3 mm bei der Erfassung des thermo- graphischen Bildes des Prüfteils führt. Die Aufzeichnungsfre- quenz beträgt 25 Hz, es kann also alle 40 Millisekunden ein Thermographiebild des Prüfteils 15 aufgenommen werden. Insge- samt werden beispielsweise 30 Bilder in dem genannten zeitlichen Abstand aufgenommen, was zu einer Meßzeit von 1,2 Sekunden führt. Die Kamera 2 kann ferner in einem Line-Scan-Modus arbeiten, das heißt, zeilenweise ein Objekt abtasten, was insbesondere zur Erfassung schneller Prozesse vorteilhaft ist.
Bei der Impuls-Video-Thermographie werden solche Thermogra- phiebilder nach der Erwärmung der Gasturbinen-Schaufel 15 aufgenommen. Damit kann in noch näher zu erläuternder Weise eine Wanddickenbestimmung bei der Schaufel 15 vorgenommen werden.
Zur Kontrolle der inneren Kühlstruktur der Turbinenschaufel 15 kann diese kurzzeitig - also impulsartig - mit Heißluft aus dem Heißlufttank 7 beaufschlagt werden, wonach der zeitliche Verlauf der Abkühlung des Prüfteils wiederum mit der Infrarot-Thermographie-Kamera 2 aufgenommen und entsprechende Rückschlüsse daraus gezogen werden können. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, ist zur Ankopplung der Gasturbinen-Schaufel 15 an die HeißluftZuleitung 9 ein Ankoppeladapter 18 vorgesehen.
Ferner ist aus Fig. 2B erkennbar, daß zur Steuereinheit 4 ein Personalcomputer 19 mit Farbmonitor 20, Farbdrucker 21 und externem Datenspeicher 22 gehört. Der Personalcomputer 19 dient dabei zur Eingabe der Prüf- und Steuerparameter, die durch die Systemverknüpfung zwischen dem Personalcomputer 19 und dem Steuerrechner 4 an diesen übergeben werden. Mit diesen Eingabewerten führt die Steuereinheit 4 dann - wie erörtert - die eigentliche Steuerung durch, wobei über jeweilige Steuerleitungen 23 entsprechende Treiber für die Antriebe des Manipulators 16 und des Drehtellers 17 zur automatischen Positionierung der Kamera 2 und der Gasturbinen-Schaufel 15 angesprochen werden.
Der Personalcomputer 19 dient ferner zur Auswertung und An- zeige der von der Kamera 2 aufgenommenen Thermographie-Bil- der .
Schließlich ist es für Thermographie-Untersuchungen von Vorteil, der Turbinenschaufel 15 eine einheitliche Oberfläche zu geben. Daher ist es bei dem Thermographie-Prüfstand vorgesehen, mit einer Farbsprühpistole 24 die Turbinenschaufel 15 zu schwärzen, wobei die Pfeile 25 schematisch Warmluft zur schnellen Trocknung der Farbe andeuten (Fig. 2A) .
Zur Reinigung der Turbinenschaufel 15 nach erfolgter Ther o- graphie-Meεsung ist ein Ultraschallbad 26 vorgesehen, in dem die Schwärzung wieder entfernt wird (Fig. 2C) .
Anhand der Fig. 3 und 4 wird der strukturierte Innenaufbau der gezeigten Gasturbinenschaufel 15 deutlich. Es sind Kühl- kanäle 27.1, 27.2, 27.3, 27.4 und 27.5 mit Austrittsbohrungen 28 und weiteren Feinstrukturen 29 vorhanden.
Zur Bestimmung von Wanddicken dx wird nun die nach erfolgter Schwärzung (Fig. 2A) entsprechend auf der Prüfteilaufnähme 3 positionierte Gasturbinenschaufel 15 über die Steuereinheit 4 entsprechend der Eingabe am Personalcomputer 19 gesteuert mit
einem energiereichen Lichtblitz aus der Blitzlampeneinheit 1 während einer Zeit von 4 ms beleuchtet (Fig. 2B) . Die anfangs hohe Oberflächentemperatur von zirka 100° C nimmt aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Schaufelmaterials innerhalb von zirka 1/10 Sekunde auf nahezu Raumtemperatur ab. Die Thermographie-Kamera 2 arbeitet in dem erwähnten „Line-Scan-Modus", das neißt, es werden Oberflächenmeßbereiche i zeilenartig abgetastet .
Im Bereich einer geringeren Wanddicke d± kann die Wärme nach Erreichen der der eingestrahlten Lichtenergie abgewandten Innenseite nicht weiter abfließen, was auf der bestrahlten Körperoberfläche zu einem Temperaturstau führt. Die Oberflächentemperatur über einem Bereich großer Wanddicke ist damit ge- ringer als über einem Bereich kleiner Wanddicke. Aus dem zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur wird die Wanddicke dx für den Oberflächenbereich i berechnet. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden:
1.) Figur 5 zeigt einen Referenz-Oberflächenmeßbereich Rx eines Referenzkörpers R, der z.B. einfach ein Blech bekannter Dicke sein kann. Er weist eine Referenzwanddicke dr auf. Zur besseren Veranschaulichung ist die zu bestimmende Wanddicke dx eines Oberflächenmeßbereiches i direkt daneben abgebildet, wobei es für das tatsächliche Verfahren aber keineswegs erforderlich ist, den Referenzkδrper R mit dem Oberflächenmeß- bereich i in Kontakt zu bringen. Der Referenz-Oberflächenmeßbereich Rλ und der Oberflächenmeßbereich i werden impulsartig (nicht notwendigerweise mit dem gleichen Lichtimpuls und auch nicht gleichzeitig) mit Blitzlicht bestrahlt. Für den Referenz-Oberflächenmeßbereich R mit der Referenzwanddicke dr stellt sich eine Oberflächentemperatur Texp r ein, wogegen sich für den Oberflächenmeßbereich i mit der (unbekannten) Wanddicke d eine Oberflächentemperatur Texp x einstellt. Der unterschiedliche Wärmefluß für die unterschiedlichen Wanddik- ken dr bzw. d führt zu einem unterschiedlichen zeitlichen Temperaturverlauf der Temperatur Tr(t) des Referenz-Oberflä-
chenmeßbereich Rx bzw. der Temperatur T(t) des Oberflächenmeßbereiches i. Diese Temperaturverläufe Tr(t), T(t) sind qualitativ in Fig. 6 wiedergegeben und mit Hilfe einer entsprechenden Auswerte-Software vom Personalcomputer 19 auslesbar . Zur analytischen Berechnung der Wanddicke di werden diese Temperaturverläufe Tr(t) , T(t) logarithmisch dargestellt, wie dies Fig. 7 zeigt. In dieser Art von Darstellung lassen sich Wärmeübergänge leichter erkennen. Die Ermittlung der unbekannten Wanddicke d1 erfolgt nun über die Bestimmung der Zeit tλ , bei der ein Wärmeübergang stattfindet. Dabei werden die Schnittpunkte der in Fig. 7 dargestellten Tangenten herangezogen. Ist nun die Zeit tr - die sogenannte „Responsezeit" -, bei der ein Wärmeübergang stattfindet, für eine definierte Dicke dr bekannt, so läßt sich die unbekannte Schichtdicke dx an einem bestimmten Punkt des Prüfkörpers analytisch durch folgende Gleichung berechnen:
di (dr 2t, / tr) In ( (τexp r Vtr) / (τexp , Vt±) )
Eine Beispielsmessung und -auswertung an einer Gasturbinen- Schaufel des in Fig. 3 gezeigten Typs hat die in der folgenden Tabelle aufgelisteten Ergebnisse gebracht. In Spalte A sind dabei die Ergebnisse für die Wanddickenwerte di aufgelistet . Die Werte in Spalte B wurden durch Messung der Wanddicke dx in den entsprechenden Bereichen mittels eines Mikrometers an der aufgeschnittenen Turbinenschaufel 15 erhalten. Erkennbar weisen die beiden Meßmethoden sehr gute Übereinstimmung auf:
Spalte A Spalte B
Kühlkanal 27.1 Referenz 2 , 0 mm Kühlkanal 27.2 2 , 3 mm 2, 4 mm Kühlkanal 27.3 2, 8 mm 2, 7 mm Kühlkanal 27.4 2, 8 mm 2 , 6 mm Kühlkanal 27.5 2 , 2 mm 2 , 3 mm
2. , Der Oberflächenmeßbereich i wird impulsartig mittels Blitzlicht aufgeheizt und der zeitliche Verlauf der Temperatur T(t) aufgezeichnet. An diesen zeitlichen Temperaturverlauf T(t) wird die Funktion F(ι) = A + 2A∑e~n2 Bt π=l angepaßt, mit
A = Wa/ (λd und B = π2a./dx 2 , wobei d die zu bestimmende Wanddicke,
W die mittels Blitzlicht in den Oberflächenmeßbereich i ein- gebrachte Wärmemenge,
N eine die Genauigkeit einstellende, wählbare ganze Zahl ist, λ die Wärmeleitfähigkeit des Turbinenschaufelwerkstoffes und a die Temperaturleitzahl des Turbinenschaufelwerkstoffes ist, welche Temperaturleitzahl sich aus der Wärmekapazität cp, der Dichte p und der Wärmeleitfähigkeit λ nach a = λ/ (cpp) ergibt .
Mit diesem Verfahren ergibt sich eine von einem Referenzkörper unabhängige, schnelle und sichere Bestimmung der Wand- dicke d . Die Wanddicke dx des Oberflächen eßbereiches i läßt sich also absolut, lediglich unter Verwendung von Material- kennzahlen, bestimmen.
Claims
1. Verfahren zur Bestimmung einer Wanddicke (d eines Oberflächenmeßbereiches (i) einer Turbinenschaufel (15) , insbesondere für eine stationäre Gasturbine, mit folgenden Verfahrensschritten :
- impulsartiges Aufheizen des Oberflächenmeßbereiches (i) ,
- Aufzeichnen des zeitlichen Temperaturverlaufes (T(t)) der Temperatur des Oberflächenmeßbereiches (i) mittels einer Infrarot -Thermographie-Kamera (2) und
- Berechnen der Wanddicke (d aus dem Temperaturverlauf ιT(t) ) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, a) wobei ein Referenz-Oberflächenmeßbereich (R eines
Referenzkörpers (R) bekannter Dicke (dr) impulsartig auf eine vorgegebene Referenz -Anfangstemperatur (Texp r) aufgeheizt wird; b) wobei ein Referenztemperaturverlauf (Tr(t)) des Referenzkörpers (R) bestimmt wird; c) wobei eine Responsezeit (t und eine Responsezeit (tr) festgelegt werden, zu der sich jeweils ein vorgegebener und für beide Zeiten (tx und tr) gleich großer prozentualer Abfall von der Anfangstemperatur (Texp bzw. von der Referenz -Anfangstemperatur (Tβxp r) eingestellt hat ; d) wobei die Wanddicke (d mittels der Responsezeit (t und der Referenzresponsezeit (tr) aus einem funktionellen Zusammenhang d = f { t , tr) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem a) der Temperaturverlauf (T(t)), der
Referenztemperaturverlauf (Tr(t)) und die Zeit (t) logarithmiert werden; b) jeweils eine erste Tangente (Tl17 Tlr) an den asymptotischen Temperaturverlauf (T(t)) und an den asymptotischen Referenztemperaturverlauf (Tr(t)) bei großen Zeiten (t) angelegt wird; c) jeweils eine zweite Tangente an den Temperaturverlauf 'Tit)) und an den Referenztemperaturverlauf (Tr(t)) in einem Bereich der Krümmung des Temperaturverlaufes (T(t) und des Referenztemperaturverlaufes (Tr(t)) vor dem jeweiligen asymptotischen Verlauf angelegt wird; d) aus den Schnittpunkten ( Sx , Sr) der jeweiligen ersten und zweiten Tangenten (Tl1( T2lf- Tlr, T2r) die Responsezeit (t und die Referenzresponsezeit (tr) gewonnen werden; e) die Wanddicke (d nach der Beziehung
di 
( dr 2t, / tr ) In ( (τexp r Vtr) / (τexp i Vt ) mit
Zu bestimmende Wanddicke (d! d, : Wanddicke des Referenzkörpers (R) , tj ; Referenzresponsezeit (tr) , tλ ■■ Responsezeit (tx) des Oberflächenmeßbereiches (i) ,
Tf p , r/ Texp i : Oberfächentemperatur des Referenz- Oberflächenmeßbereichs beziehungsweise des Oberflächenmeßbereiches (i) , aus der Responsezeit (t und der Referenzresponsezeit (tr) berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Anpassungsfunktion (F(t)), die die Wanddicke (di) als Parameter enthält, vorgegeben und die Wanddicke (dA) durch Anpassung der Anpassungsfunktion (F(t)) an den gemessenen Temperaturverlauf (T(t)) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Anpassungsfunktion (F(t)) mit der Zeit (t) exponentiell abklingende Summanden enthält und insbesondere definiert ist als: F{ t ) = Λ + 2A e-" Bl . π=l mit
A = Wa/ (λd und B = π2a/d^2 , wobei d die zu bestimmende Wanddicke,
W die impulsartig in den Oberflächenmeßbereich (i) eingebrachte Wärmemenge (W) , N eine die Genauigkeit einstellende, wählbare ganze Zahl ist, und wobei folgende Größen Eigenschaften des Turbinenschaufelwerkstoffes sind:
• λ die Wärmeleitfähigkeit,
• a die Temperaturleitzahl, welche sich aus der • Wärmekapazität cp, der
• Dichte p und der
• Wärmeleitfähigkeit λ nach a = λ/(cpp) ergibt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine Vielzahl von Oberflächenmeßbereichen (i) jeweils eine Wanddicke (di) , insbesondere durch zeilenweise Abtastung, mittels der Infrarot-Thermographie-Kamera (2) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch die Vielzahl von Oberflächenmeßbereichen (i) die Wanddicken (d eines Ausschnittes (15A) der Oberfläche der Turbinenschaufel (15), insbesondere einer ganzen Seite (15B) der Turbinenschaufel (15) , bestimmt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das impulsartige Aufheizen mittels Blitzlicht erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Blitzlicht mit einer Dauer zwischen 1 und 10 ms, vorzugsweise zirka 4 ms, eingestrahlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei pro Impuls eine Blitzlicht-Energie von 10 kJ bis 30 kJ, insbesondere von 20 kJ bis 25 kJ, eingestrahlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Blitzlicht aus mindestens vier Blitzlampen einstrahlt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes (T(t)) in einem Mindest -Temperaturbereich von 0° C bis 200° C bei einer Temperaturauflösung von mindestens 0,05° C erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufzeichnung des Temperaturverlaufes (T(t)) mit einer Aufzeichnungsfrequenz von mindestens 25 Hz erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oberflächenmeßbereich (i) kleiner als 0,16 mm2, vorzugsweise kleiner als 0,09 mm2, ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oberflächenmeßbereich (i) vor dem impulsartigen Aufheizen gleichmäßig geschwärzt wird.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend:
- eine computergestützte Steuereinheit (4) zur Steuerung des Meßablaufes,
- eine Blitzlampeneinheit (1) zum impulsartigen Aufheizen des Oberflächenmeßbereiches (i) ,
- eine Infrarot -Thermographie-Kamera (2) zur Aufzeichnung des zeitlichen Temperaturverlaufes (T(t)) der Temperatur des Oberflächenmeßbereiches (i) und
- eine computergestützte Auswerteeinheit (19, 20, 21) zur Berechnung der Wanddicke (d±)aus dem Temperaturverlauf
:τ(t) ) .
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19630952.2 | 1996-07-31 | ||
| DE19630952 | 1996-07-31 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO1998005921A1 true WO1998005921A1 (de) | 1998-02-12 |
Family
ID=7801409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/DE1997/001545 Ceased WO1998005921A1 (de) | 1996-07-31 | 1997-07-22 | Verfahren zur wanddickenbestimmung an einer turbinenschaufel und vorrichtung zur durchführung des verfahrens |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO1998005921A1 (de) |
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