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Prüfung von Turbinenschaufeln

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Turbinenschaufeln sind im Hinblick auf Aerodynamik und Masseschwerpunkt optimal ausgelegt. Die Gussformen werden aus hochentwickelten Metalllegierungen und Verbundwerkstoffen hergestellt, um die Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Temperaturen zu erhöhen sowie Korrosion zu verhindern. Die dichten Bauteile aus Metalllegierungen stellen eine besondere Herausforderung für die Prüfung von Turbinenschaufeln dar. Ungenauigkeiten in der Turbinenschaufelgeometrie können Wirkungsverluste bei der Energieumwandlung und letztendlich Ausfälle der Turbinenschaufel zur Folge haben. Für die Geometrie und Ausrichtung von Turbinenschaufeln gelten strengste Toleranzvorgaben, um eine optimale Schaufelposition und Aerodynamik zu garantieren.

Dank der internen Luftkühlung können die Turbinenschaufeln bei extremen Temperaturen von bis zu 1 000°C betrieben werden. Die Prüfung der Schaufelwandstärke ist ein entscheidender Faktor, um über das gesamte Schaufelblatt ein optimales Verhältnis zwischen Wandstärke und Kühlung zu erhalten. Darüber hinaus kann die Lebensdauer einer Turbinenschaufel durch strukturelle Materialfehler, wie unter anderem Risse und Einschlüsse, beeinträchtigt werden.

Herausforderungen bei der Prüfung von Turbinenschaufeln:

  • Zerstörungsfreie Prüfung: Laserscanning, Röntgen und Mikro-CT sind gängige Verfahren, um die Innenstruktur von Turbinenschaufeln abzubilden und zu prüfen. Turbinenschaufeln sind ziemlich teure Prüfobjekte.
  • Hohe Prüfgenauigkeit: Sowohl die Freiformoberflächen der Schaufelblätter sowie spezifische Merkmale müssen genau verifiziert werden. Zudem unterliegt die Innenwandstärke engen Vorgaben für die geometrische Abweichung.
  • Dichtes Material: Für die Prüfung dichter Werkstoffe wird eine leistungsstarke Röntgenröhre benötigt, deren Röntgenstrahlen die Schaufel durchdringen können.
  • Streustrahlung: Bei der Röntgenprüfung dichter Materialien entsteht möglicherweise Streustrahlung, die die Bildqualität verschlechtern könnte.
  • Schnellmessung: Turbinenschaufeln werden in verschiedenen Stadien der Prototypenerstellung und des Fertigungsprozesses kontrolliert: im Anschluss an die Formung und bestimmte Bearbeitungs- und Veredelungsschritte.
  • Schnelle CT-Rekonstruktion: In einer Fertigungsumgebung ist es wichtig, schnell Prüfergebnisse zu erhalten.
  • Größere Prüfobjekte: Turbinenschaufeln sind etwas größer und benötigen eine Prüfkabine, die ausreichend Platz bietet.

 

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Normalerweise werden Turbinenschaufeln oder die Schichtradiographie unter Verwendung eines mit Messtastern bestückten KMGs überprüft. Schaufelhersteller nutzen jetzt jedoch immer häufiger das Laserscanning, um die Form der aerodynamischen Schaufeloberfläche und die Maße von gefräster Planflächen und Flanschen, Bohrungslöchern und Ausrichtkerben zu überprüfen. Die neueste Technologie, um vollen Einblick in das innenliegen Strukturen, Wandstärken und Kühlungskanäle zu erhalten, ist jedoch die Röntgen- und CT-Prüfung. 

Im Vergleich zur herkömmlichen taktilen Maßkontrolle erfassen LC und XC Laserscanner weit mehr Punktdaten in einer viel kürzeren Zeit. Gleichzeitig werden Messungen und Analysen in einen automatischen digitalen Prüfprozess integriert. Hinzukommt, dass eine Vor-Ausrichtung der Turbinenschaufel bei der berührungslosen Messtechnik kaum oder gar nicht erforderlich ist. Auch die Messtasterkompensation erübrigt sich, wenn Freiformflächen an der Turbinenschaufel gemessen werden. Die Software Focus, die mehrere Tausend Messpunkte pro Sekunde misst, kann ein weit genaueres Verfahren der Linieneinpassung anwenden, um die Kantenposition der Kerben zu bestimmen und Winkel zwischen den Kerben zu prüfen. Die Laserscantechnik und die Software Focus zur Punktewolkenverarbeitung sind die Grundpfeiler des weitaus schnelleren und bedienerunabhängigen digitalen Messverfahrens.

Innovative Röntgensysteme mit einer Leistung bis zu 450 kV setzen einen neuen Maßstab für die Messung von Turbinenschaufeln und zerstörungsfreie Prüfung (NDT) von kleinen bis mittelgroßen Gussformen. Herzstück dieses leistungsfähigen Systems ist eine 450 kV Mikrofokusröntgenröhre, die eine hervorragende Auflösung und Genauigkeit bietet. Sie kann entweder mit einem Flachdetektor oder gekrümmten Zeildendetektor (Curved Linear Array - CLA) ausgestattet werden. Der CLA- Detektor optimiert die Röntgenstrahlerfassung, indem er das Auftreten der Streuungen eliminiert, die normalerweise die 2D-Röntgenfotografie von Schaufeln und anderen Metallteilen stören. Dieses System ist vielseitig und dient der Handhabung kleiner bis großer Metallteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, Gussformen etc.

 

Typische Anwendungen

nikon metrology aerospace components 3d compare lc15dx  turbine bladeAnwendung 1: Detailanalyse der internen Struktur von Turbinenschaufeln

Neben der Prüfung der Schaufelblattoberflächen muss auch die interne Struktur der Schaufeln untersucht werden. Die industrielle Mikro-CT findet Einschlüsse, Risse und sonstige Materialfehler, bevor weitere Prozessschritte der maschinellen Bearbeitung gestartet werden. Präzise Abbildungen des Schaufelprofils zeigen die genaue Innenwändestärke an jeder Position dieser Wände.

Anwendung 2: Automatisierte Freigabe-/Ausschussprüfung von Turbinenschaufeln 

Der gesamte Prüfprozess kann von Anfang an definiert und automatisiert werden. Turbinenschaufeln können daher serienweise automatisch vermessen und jeweils als in Ordnung oder nicht in Ordnung gekennzeichnet werden.

 

 

 
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