DE19725612A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von mehrachsigen, instationären Spannungszuständen in einer Werkstoffprobe - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Inhomogene Spannungszustände können des weiteren dadurch her­ vorgerufen werden, daß die Werkstoffprobe mit in verschiede­ nen Mustern und Richtungen angeordneten Kühlbohrungen verse­ hen ist.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert, das eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt.

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.

Ggf. kann die Werkstoffprobe 1 in verschiedenen Mustern und Richtungen angeordnete Filmkühlbohrungen 2 aufweisen.

An diesen Filmkühlbohrungen 2 können aufgrund der entstehen­ den Spannungszustände Spannungskonzentrationen mit nachfol­ gender Rißbildung und -ausbreitung auftreten.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erzeugen von mehrachsigen, instationären Spannungszuständen an einer Werkstoffprobe, insbesondere für die Lebensdaueruntersuchung von Werkstoffen zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln, mit den Schritten:

• - 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallkühlung während der Schritte des Aufheizens, Haltens und Abkühlenlassens durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Aufheizens, Haltens und Abkühlenlassens zyklisch wiederholt werden, um die Belastungen beim Anfahren, Betrieb und Abfahren einer Gasturbine zu simulieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Werkstoffprobe eine Zugspannung aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Hochleistungsinfrarotstrahlern zum Heizen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung ei­ ner benachbart zur zu kühlenden Oberfläche angeordneten Loch­ platte zum Erzeugen der Kühlmittelstrahlen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung ei­ ner Werkstoffprobe mit in verschiedenen Mustern und Richtun­ gen angeordneten Filmkühlbohrungen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung ei­ ner rohrförmigen Werkstoffprobe und einer in der Werkstoff­ probe angeordneten rohrförmigen Kühlmittelleitung mit radial gerichteten Kühlmittelbohrungen.

9. Vorrichtung zum Erzeugen von mehrachsigen, instationären Spannungszuständen in einer Werkstoffprobe, insbesondere für die Lebensdaueruntersuchung von Werkstoffen zur Her­ stellung von Gasturbinenschaufeln, mit

• - 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).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine axial an der Werkstoffprobe (1) angreifende Zugvorrichtung (3).

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine an der Werk­ stoffprobe (1) und/oder an der Kühlmittelleitung (4) angrei­ fende Vorrichtung (7) zum radialen und/oder axialen und/oder drehenden Bewegen der Werkstoffprobe (1) relativ zur Kühlmit­ telleitung (4)