DE19720461A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur von Turbinenschaufeln, insbesondere von stationären Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur von Turbinenschaufeln, insbesondere von stationären Gasturbinen.

In der DE 35 33 186 A1 wird ein Verfahren zur Kühllochprü­ fung, insbesondere zur Prüfung von Kühlkanälen in Turbinen­ schaufeln von Gasturbinentriebwerken, beschrieben. In diesem Verfahren wird kontinuierlich ein erwärmtes Gas in die Kühl­ kanäle einer Gasturbinenschaufel gedrückt. Mit Hilfe einer Infrarotkamera werden Wärmebilder der Kühlkanalöffnungen an den Oberflächen der Turbinenschaufel zeitaufgelöst aufgenom­ men. Die Kontrolle der Kühlkanäle erfolgt insbesondere da­ durch, daß sich zeitlich ändernde Wärmebilder der Kühlka­ nalöffnungen aufgenommen und Wärmebilder von verschiedenen Kühlkanalöffnungen miteinander verglichen werden. Dem Verfah­ ren liegt zugrunde, daß die Kanäle durch das kontinuierlich strömende Gas erwärmt werden und als Schwarzkörper-Hohlraum­ radiatoren wirken.

In dem Artikel "Impuls-Video-Thermographie", Materialprüfung 36 (1994) 3 von G. Walle ist das Prinzip der Impuls-Video- Thermographie beschrieben. Es werden die physikalischen Grundlagen sowie Anwendungsbeispiele der Impuls-Video-Thermo­ graphie erläutert. Es wird ausschließlich die Impuls-Video- Thermographie in Reflexion beschrieben, wobei mittels einer Hochleistungs-Blitzlampe der zu prüfende Körper bestrahlt und ein Wärmebild mittels einer Infrarotkamera erstellt wird. Auch eine Delaminationsprüfung an einer keramikbeschichteten Turbinenschaufel erfolgt in Reflexion mittels einer Blitz­ lampe. Die Auswertung der Thermographieprüfung erfolgt über die Bildung eines Differenzbildes aus einer Thermographieauf­ nahme einer intakten Referenzschaufel und der Thermographie­ aufnahmen der zu untersuchenden Turbinenschaufel.

In der US-PS 3,566,669 ist beschrieben, wie Wanddicken von Kühlkanälen einer Turbinenschaufel durch eine Thermographie­ messung bestimmt werden können. Dazu werden die zu prüfende Turbinenschaufel und ein Referenzkörper, welcher unterschied­ liche, bekannte Wanddicken aufweist, parallel an eine zu­ schaltbare Fluidquelle angeschlossen. Turbinenschaufel und Referenzkörper werden zunächst auf der gleichen, definierten Temperatur gehalten. Ein Fluid, welches eine von der Tempera­ tur der Turbinenschaufel bzw. des Referenzkörpers abweichende Temperatur aufweist, wird sodann impulsartig sowohl in den Kühlkanal der zu prüfenden Turbinenschaufel, als auch in den Referenzkörper geleitet. Mittels eines Infrarotscanners wird die von der Turbinenschaufel und die von dem Referenzkörper emittierte Wärmestrahlung aufgenommen. Aus einem Vergleich des Temperaturverlaufs an der Turbinenschaufel mit dem Tempe­ raturverlauf des Referenzkörpers kann über die bekannten Wanddicken des Referenzkörpers auf die Wanddicken der Kühlka­ näle der zu prüfenden Turbinenschaufel geschlossen werden.

In der US-PS 5,111,046 ist ebenfalls ein Verfahren zur Überprüfung von Kühlkanälen von Turbinenschaufeln beschrieben. Der Kühlstruktur einer zu prüfenden Turbinenschaufel ist Gas zuführbar. In einem Aufwärmzyklus wird heißes Gas in die Kühlstruktur geleitet. In einem anschließenden Abkühlzyklus wird kaltes Gas in die Kühlstruktur der Turbinenschaufel ge­ leitet. Mit Hilfe eines Infrarotradiometers werden der Auf­ wärm- und der Abkühlzyklus und die damit verbundenen Änderun­ gen der Abstrahlung von Wärmestrahlung aus der Turbinenschau­ fel aufgenommen. Defekte in der Kühlstruktur können durch ei­ nen Vergleich dieser Aufnahme mit einer Aufnahme einer Refe­ renzschaufel aufgefunden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur von Turbinenschaufeln anzugeben, welches auf einer Thermographiemessung beruht und eine besonders gute Auswertung einer solchen Thermographie­ messung ermöglicht. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die An­ gabe einer entsprechenden Vorrichtung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Angabe eines Verfahrens zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine, bei dem

• a) von der zu prüfenden Turbinenschaufel ein Ausgangs-Thermo­ graphiebild mittels einer ersten Infrarotkamera aufgenommen,
• b) die zu prüfende Turbinenschaufel mittels Einblasen von Heißluft in deren Kühlstruktur kurzzeitig aufgeheizt,
• c) mindestens ein Thermographiebild von der so aufgeheizten Turbinenschaufel durch eine zweite Infrarot-Kamera aufgenom­ men und
• d) ein Differenzbild aus diesem mindestens einem Thermogra­ phiebild und dem Ausgangs-Thermographiebild erstellt wird.

Durch die Differenzbilderstellung können besonders schnell und sicher Abweichungen und Fehler im Kühlsystem erkannt wer­ den. Eine solches Differenzbild ist z. B. dadurch erstellbar, daß das Ausgangs-Thermographiebild und das Thermographiebild oder die Thermographiebilder der aufgeheizten Turbinenschau­ fel in Form eines eine Vielzahl von Rastereinheiten aufwei­ senden Rasters in gleicher Weise gespeichert und dann vonein­ ander durch Differenzbildung von je zwei äquivalenten Rastereinheiten subtrahiert werden. In den Rastereinheiten können die dort jeweils auftretenden Intensitäten eines Thermographiebildes z. B. als Zahl gespeichert werden, so daß die Subtraktion eine einfache mathematische Subtraktion zweier Zahlen sein kann. In dem Differenzbild wird die durch das Aufheizen erzeugte Temperaturdifferenz an der Turbinen­ schaufeloberfläche gegenüber dem Wärmestrahlungsuntergrund, der immer vorhanden ist, herausgearbeitet, so daß die Thermo­ graphiemessung durch eine Betonung der aufgeheizten Kühlstruktur besser auswertbar ist. Die erste und die zweite Infrarotkamera müssen nicht notwendigerweise verschiedene In­ frarotkameras sein, daß heißt, die erste und die zweite In­ frarotkamera können auch ein und dieselbe Infrarotkamera sein.

Bevorzugtermaßen wird die Turbinenschaufel vor der Aufnahme des Ausgangs-Thermographiebildes geschwärzt. Mit dieser Schwärzung wird ein im wesentlichen einheitliches Wärmestrah­ lungsbild der Turbinenschaufeloberfläche erreicht. Damit sind Änderungen des Wärmestrahlungsbildes durch ein kurzzeitiges Aufheizen der Turbinenschaufel mittels Einblasen von Heißluft in ihre Kühlstruktur, wie sie in einem Thermographiebild sichtbar werden, deutlicher zu beobachten. Dies hat eine wei­ tere Verbesserung der Auswertbarkeit der Thermographiemessung zur Folge. Eine Schwärzung wird vorzugsweise durch ein Auf­ sprühen schwarzer Farbe auf die Turbinenschaufeloberfläche erreicht. Bevorzugt wird diese schwarze Farbe, vorzugsweise durch eine Ultraschallreinigung, nach erfolgter Prüfung wie­ der entfernt.

Bevorzugtermaßen wird Heißluft mit einer Temperatur von bis zu 280°C eingeblasen. Weiter bevorzugt wird Heißluft über eine Zeitdauer von 0,5 bis 5 Sekunden, vorzugsweise von 0,5 Sekunden, eingeblasen. Weiter bevorzugt wird das mindestens eine Thermographiebild in einem Mindest-Temperaturbereich von 0°C bis 200°C bei einer Temperaturauflösung von mindestens 0,05°C aufgenommen. Bevorzugtermaßen wird das mindestens eine Thermographiebild mit einer örtlichen Auflösung von min­ destens 0,4 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm aufgenommen. Bevorzugt werden zeitlich aufeinanderfolgend mehrere Thermo­ graphiebilder mit einer Aufzeichnungsfrequenz von mindestens 25 Hz aufgenommen.

Erfindungsgemäß besteht eine weitere Lösung der Aufgabe in der Angabe eines Verfahrens zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Tur­ binenschaufel für eine stationäre Gasturbine, bei dem

• a) die zu prüfende Turbinenschaufel geschwärzt,
• b) die zu prüfende Turbinenschaufel mittels Einblasen von Heißluft in deren Kühlstruktur kurzzeitig aufgeheizt und
• c) mindestens ein Thermographiebild von der so aufgeheizten Turbinenschaufel durch eine Infrarot-Kamera aufgenommen wird.

Die Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen.

Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungs­ gemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wobei vorgesehen sind:

• - eine computergestützte Steuereinheit zur Steuerung der Vor­ richtungskomponenten und des Meßabverlaufes,
• - ein Heißluftreservoir, das über eine Versorgungsleitung mit der zu prüfenden Turbinenschaufel kurzzeitig verbindbar ist,
• - eine IR-Thermographie-Kamera zur Aufnahme eines Thermogra­ phiebildes der aufgeheizten Turbinenschaufel, und
• - eine computergestützte Auswerte- und Anzeigeeinheit zur Er­ stellung eines Differenzbildes aus einem Ausgangs-Thermo­ graphiebild und dem Thermographiebild der aufgeheizten Tur­ binenschaufel.

Die Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich gemäß den Vor­ teilen des entsprechenden Verfahrens.

Bevorzugt ist das Heißluftreservoir ein Heißlufttank von vor­ zugsweise etwa 100 Liter Rauminhalt mit einer Heißlufttempe­ ratur von bis zu 280°C. Weiter bevorzugt weist das Heißluftreservoir einen Druck von etwa 6 bar auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Thermographie-Prüfstandes,

Fig. 2 ein Ablaufschema zur Darstellung des funktionalen Ablaufs bei der Funktionsüberprüfung einer Turbi­ nenschaufel und der Verknüpfung der dabei einge­ setzten Funktionseinheiten,

Fig. 3 eine Ansicht einer Turbinenschaufel einer stationä­ ren Gasturbine in geschnittener Darstellung und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie IV-IV nach Fig. 3.

Der in Fig. 1 dargestellte Thermographie-Prüfstand weist eine Blitzlampeneinheit 1, eine Infrarot-Thermographie-Kamera 2, eine Prüfteilaufnahme 3 sowie eine Steuereinheit 4 auf. Der gesamte Prüfstand ist dabei in einer Kammer 5 untergebracht, die über Lüfter 6 klimatisiert wird.

Die vorstehend grob umrissenen Prüfstandskomponenten dienen der Durchführung eines Impuls-Video-Thermographie-Verfahrens. Um den Prüfstand für ein transmissionsthermographisches Meß­ verfahren, wie es im Fall der vorliegenden Erfindung zum Ein­ satz kommt, geeignet zu machen, weist er ferner einen Heiß­ lufttank 7 und einen Kaltlufttank 8 auf, die über eine Zulei­ tung 9 mit der Prüfteilaufnahme 3 kurzzeitig verbindbar sind.

Für die Energieversorgung der Blitzlampeneinheit sind Konden­ satorblöcke 10 vorgesehen. Ebenfalls schematisch 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 abstrahlen. Die Impulsdauer der Blitze beträgt 5 Millisekunden. Im übrigen ist das Gestell 12 der Blitzlam­ peneinheit 1 quer zur Aufnahmerichtung A der Kamera 2 an ei­ ner Führung 14 verschiebbar, um die Transmissionsprüfung durchführen zu können.

Die Infrarot-Thermographie-Kamera 2 arbeitet in einem Tempe­ raturbereich von 0°C bis 200°C mit einer Auflösung von 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 Prüfteilaufnahme 3 auf einem Drehteller 17 ist eine automatische Positionierung von Kamera 2 und zu prüfender Turbinenschaufel 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 Span­ nungsregelung durchführt sowie die Auslösesteuerung der Ka­ mera 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 × 600 Linien aufweist, die zu einer örtli­ chen 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 zeitli­ chen Abstand aufgenommen, was zu einer Meßzeit von 1,2 Sekun­ den 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.

Zur Kontrolle der Kühlstruktur 27 einer Turbinenschaufel 15 - wie dies Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist - wird die Oberfläche zu untersuchende Turbinenschaufel 15 zunächst mit einer Farbsprühpistole 24 einheitlich geschwärzt, vorzugs­ weise mit einem wasserlöslichen Lack 8 (s. Fig. 2A). Es wird dann mit der Infrarot-Thermographie-Kamera 2 ein Ausgangs- Thermographiebild von der noch nicht aufgeheizten Turbinen­ schaufel 15 erstellt und über einen Personalcomputer 19 (s. Fig. 2B) abgespeichert. Die Kühlstruktur 27 der Turbinen­ schaufel 15 wird sodann kurzzeitig mit Heißluft aus dem Heiß­ lufttank 7 beaufschlagt, wonach der zeitliche Verlauf der Ab­ kühlung der Turbinenschaufel 15 mit der Infrarot-Thermogra­ phie-Kamera 2 durch eine Erstellung von Thermographiebildern aufgenommen wird. Von den so erstellten Thermographiebildern wird jeweils das Ausgangs-Thermographiebild mittels des Per­ sonalcomputers 19 subtrahiert. Aus den so gewonnenen Diffe­ renzbildern ist besonders gut die Kühlstruktur 27 und ein in dieser eventuell auftretender Fehler erkennbar. Wie aus Fig. 2B deutlich wird, ist zur Ankopplung der Turbinenschaufel 15 an die Heißluftzuleitung 9 ein Ankoppeladapter 18 vorgesehen.

Ferner ist aus Fig. 2B erkennbar, daß zur Steuereinheit 4 der Personalcomputer 19 mit Farbmonitor 20, Farbdrucker 21 und externem Datenspeicher 22 gehört. Der Personalcomputer 19 dient dabei auch 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 er­ örtert - die eigentliche Steuerung durch, wobei über jewei­ lige Steuerleitungen 23 entsprechende Treiber für die An­ triebe des Manipulators 16 und des Drehtellers 17 zur automa­ tischen Positionierung der Kamera 2 und der Turbinenschaufel 15 angesprochen werden.

Zur Reinigung der Turbinenschaufel 15 nach erfolgter Thermo­ graphie-Messung ist ein Ultraschallbad 26 vorgesehen, in dem die Schwärzung wieder entfernt wird (s. Fig. 2C).

Anhand der Fig. 3 und 4 wird der stark strukturierte Innen­ aufbau der gezeigten Turbinenschaufel 15 deutlich. So sind durch entsprechende Auslegung der Feingußform Kühlkanäle 27.1, 27.2, 27.3, 27.4 und 27.5 mit Austrittsbohrungen 28 und weiteren Feinstrukturen 29 vorhanden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind und daher keiner näheren Erörterung be­ dürfen.

Das erfindungsgemäße Funktionsprüfungsverfahren ist nun an­ hand von Fig. 1 und 2 wie folgt zu beschreiben:
Nach dem gleichmäßigen Schwärzen der zu überprüfenden Tur­ binenschaufel 15 mit einem wasserlöslichen, ungiftigen Lack (Fig. 2A), wird die Turbinenschaufel 15 auf den Ankoppeladap­ ter 18 auf dem Drehteller 17 gesetzt. Dabei sind für unter­ schiedliche Turbinenschaufeltypen unterschiedliche Ankop­ peladapter 18 zum Einbringen der Heißluft in den Turbinen­ schaufelfuß vorgesehen. Dabei sind die Adapter so zu konzi­ pieren, daß am gesamten Eintrittsquerschnitt eine gleich­ mäßige Heißluftströmung durch die Kühlkanäle 27 der Turbinen­ schaufel 15 erreicht wird. Von der montierten Turbinenschau­ fel 15 wird ein Ausgangs-Thermographiebild erstellt und abge­ speichert. Der Adapter 18 steht über eine Zuleitung mit dem Heißlufttank 7 in Verbindung, der einen Heißluftvorrat von 100 Liter bei einer Temperatur von bis zu 280°C und einem Druck von bis zu 6 bar bereithält. Über nicht näher darge­ stellte Ventile, die über eine Steuerleitung 23 von der Steu­ ereinheit 4 angesteuert werden, wird durch die ordnungsgemäß positionierte Turbinenschaufel 15 ein kurzzeitiger Heißluft­ stoß mit einer Zeitdauer von bis zu 5 Sekunden geleitet. Der nachfolgende zeitliche Verlauf der Temperaturverteilung auf der von der Kamera 2 erfaßten Oberfläche der zu prüfenden Turbinenschaufel 15 wird von der Kamera aufgezeichnet und vom Personalcomputer 19 durch ein entsprechendes Auswerte- und Bildverarbeitungsprogramm on-line digitalisiert und davon je­ weils daß Ausgangs-Thermographiebild subtrahiert. Diese Dif­ ferenzbilder werden mit den Aufnahmen einer Referenzschaufel verglichen und bewertet. Aus Unterschieden kann auf Fehler innerhalb der inneren Kühlstruktur der Turbinenschaufel, wie z. B. verschlossene Kühlbohrungen oder falsch dimensionierte Kühlkanäle geschlossen werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur (27) einer Turbinenschaufel (15), insbesondere einer Turbinen­ schaufel (15) für eine stationäre Gasturbine, bei dem

• a) von der zu prüfenden Turbinenschaufel (15) ein Ausgangs- Thermographiebild mittels einer ersten Infrarotkamera (2) aufgenommen,
• b) die zu prüfende Turbinenschaufel (15) mittels Einblasen von Heißluft in deren Kühlstruktur (27) kurzzeitig aufge­ heizt,
• c) mindestens ein Thermographiebild von der so aufgeheizten Turbinenschaufel (15) durch eine zweite Infrarot-Kamera (2) aufgenommen und
• d) ein Differenzbild aus diesem mindestens einem Thermogra­ phiebild und dem Ausgangs-Thermographiebild erstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Turbinenschaufel (15) vor der Aufnahme des Ausgangs-Thermographiebildes geschwärzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Heißluft mit einer Temperatur von bis zu 280°C einge­ blasen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Heißluft über eine Zeitdauer von 0,5 bis 5 Sekunden, vorzugsweise von 0,5 Sekunden eingeblasen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Thermographiebild in einem Mindest- Temperaturbereich von 0°C bis 200°C bei einer Temperatur­ auflösung von mindestens 0,05°C aufgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mindestens eine Thermographiebild mit einer örtli­ chen Auflösung von mindestens 0,4 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm aufgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zeitlich aufeinanderfolgend mehrere Thermographiebilder mit einer Aufzeichnungsfrequenz von mindestens 25 Hz aufge­ nommen werden.

8. Verfahren zur Überprüfung der inneren Kühlstruktur (27) einer Turbinenschaufel (15), insbesondere einer Turbinen­ schaufel (15) für eine stationäre Gasturbine, bei dem

• a) die zu prüfende Turbinenschaufel (15) geschwärzt,
• b) die zu prüfende Turbinenschaufel (15) mittels Einblasen von Heißluft in deren Kühlstruktur (27) kurzzeitig aufge­ heizt und
• c) mindestens ein Thermographiebild von der so aufgeheizten Turbinenschaufel (15) durch eine Infrarot-Kamera (2) auf­ genommen wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei vorgesehen sind:

• - eine computergestützte Steuereinheit (4) zur Steuerung der Vorrichtungskomponenten und des Meßabverlaufes,
• - ein Heißluftreservoir (7), das über eine Versorgungsleitung (9) mit der zu prüfenden Turbinenschaufel (15) kurzzeitig verbindbar ist,
• - eine IR-Thermographie-Kamera (2) zur Aufnahme eines Thermo­ graphiebildes der aufgeheizten Turbinenschaufel (15), und
• - eine computergestützte Auswerte- und Anzeigeeinheit (19, 20, 21) zur Erstellung eines Differenzbildes aus einem Aus­ gangs-Thermographiebild und dem Thermographiebild der aufge­ heizten Turbinenschaufel (15).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Heißluftreservoir ein Heißlufttank (7) von vorzugs­ weise etwa 100 Liter Rauminhalt mit einer Heißlufttemperatur von bis zu 280°C ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Heißluftreservoir einen Druck von etwa 6 bar auf­ weist.