Teilprojekt A1 Zerstörungsfreie Turbinenschaufelcharakterisierung

Das Arbeitsprogramm umfasst die Entwicklung von zerstörungsfreien Prüftechniken wie Hochfrequenz-Wirbelstromtechnik, Hochfrequenz-Induktions-Thermografie, Fernfeld-Wirbelstrom sowie Harmonischen-Analyse zur Erfassung und Klassifizierung von lokalen Defekten sowie Materialcharakterisierung im Bauteil-Mehrschichtsystem auch bei schwer zugänglichen, komplexen Triebwerksbauteilen, im Rahmen der Eingangsbefundung und zur Qualitätsbewertung von Reparaturmaßnahmen.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Schichtcharakterisierung einer Turbinenschaufel mittels Hochfrequenz-Wirbelstromtechnik

Hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit moderner Triebwerke erfordern die Integrität hochbeanspruchter Triebwerksbauteile wie der Turbinen-, Verdichter- und Fanbeschaufelung und deren Zustandsbewertung im Rahmen von Inspektionen und Wartungsmaßnahmen. Die Beschaufelung ist im Betrieb extrem hohen thermischen, korrosiven, erosiven und mechanischen Belastungen ausgesetzt und dementsprechend beanspruchungsorientiert strukturiert als Bauteil-Mehrschichtsystem ausgeführt. Dabei werden an den Werkstoff und die Schichteigenschaften höchste Ansprüche gestellt, um den hohen Beanspruchungen im Dauerbetrieb gerecht zu werden. Der Zustand und die Integrität der Triebwerksbeschaufelung sind von strategischer Bedeutung für einen sicheren und zuverlässigen Triebwerkbetrieb und stellen höchste Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüftechnik, hinsichtlich der Charakterisierung von Werkstoffveränderungen und der frühzeitigen Erkennung von Schäden. Um einen erforderlichen Reparaturbedarf an den beanspruchten Bauteilen frühzeitig erfassen, bewerten und damit auch in der weiteren Planung des Regenerationspfads berücksichtigen zu können, gewinnt eine schnelle Eingangsbefundung von Triebwerksbauteilen, die bereits beim teilzerlegten Triebwerk vorgenommen werden kann, zunehmend an Bedeutung.

Video: Blisk-Fehlerprüfung mittels Induktionsthermografie

ERGEBNISSE

Ausgerichtet auf die speziellen Grundwerkstoff- und Schichteigenschaften von Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine wurden in der ersten Förderperiode Grundlagenuntersuchungen zur Abbildung der Prüfbedingungen über Modellbildungen durchgeführt. Mit der Neuentwicklung einer Mehrparameter-Hochfrequenz-Wirbelstromtechnik und Induktions-Thermografie mit gepulster Anregung im Megahertz Bereich, wurde erfolgreich ein neues Anwendungsfeld hinsichtlich der automatisierbaren Fehlerprüfung und Fehlerklassifizierung sowie Materialcharakterisierung dünner Schicht- und Bauteilrandzonen am Beispiel hochbelasteter Turbinenschaufeln erschlossen. Weitere Anwendungsgebiete stellen dünne Beschichtungen auf Funktionsbauteilen, Laufflächen, oder Führungen sowie Hochleistungsbauteile mit eng tolerierten Randzoneneigenschaften in anderen Investitionsgütern dar.

Kombinierte Zustandsbewertung der Korrosionsschutzschicht (KSS) und Wärmedämmschicht (WDS) mittels Hochfrequenz-Wirbelstromtechnik

Die Ergebnisse der zweiten Förderungsperiode beschreiben die zerstörungsfreie Fehlerprüfung und Materialcharakterisierung im Schaufelkanal der Turbinen und an der Verdichterbeschaufelung in Bliskbauweise mit begrenzter Zugänglichkeit. Die Bauteilprüfung und Zustandsbewertung komplexer Bauteilgeometrien wurde durch die individuelle Anpassung der Sensor- und Induktoreigenschaften erreicht. Die Bestimmung der Fehlertiefenlage bei dickwandigen Bauteilen wurde durch die Neuentwicklung einer Fernfeld-Wirbelstromtechnik realisiert.

Fehlerprüfung im Schaufelkanal (Turbinenschaufeln) mittels Hochfrequenz-Induktionsthermografie mit Spiegeloptik

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Zum Abschluss des Projektes in der laufenden dritten Förderperiode des SFB soll die entwickelte Methodik an einem realen Triebwerk validiert werden. Zu diesem Zweck werden in zwei Messkampagnen definierte Defekte in ein Triebwerk eingebracht und der Abgasstrahl mit tomographischem BOS rekonstruiert. Der Einfluss der Defekte auf den Abgasstrahl wird durch einen Vergleich mit Messungen des Triebwerks im Referenzfall (ohne eingebrachten Defekt) untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss der Defekte auf den Abgasstrahl mit einem numerischen Modell vorhergesagt und mit den Ergebnissen der Messungen validiert. Nach dieser erfolgreichen Validierung ist es dann möglich, den Einfluss weiterer Defekte auf den Abgasstrahl numerisch vorherzusagen und so eine Datenbank mit möglichen Schadensfällen aufzubauen. Ein Triebwerk mit einem unbekannten Zustand kann dann später optisch vermessen werden und die Ergebnisse der Messungen mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen mit der Schadensdatenbank verglichen werden. Somit können Defekte in Triebwerken berührungslos, vor der Demontage detektiert werden.


VERÖFFENTLICHUNGEN

Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • Bruchwald, O.; Frackowiak, W.; Reimche, W.; Maier, H. J. (2016): Applications of High Frequency Eddy Current Technology for Material Characterization of Thin CoatingsIn: Journal of Materials Science and Engineering 2016 (6), S. 185–191
    DOI: 10.17265/2161-6213/2016.7-8.001
  • Schlobohm J.; Bruchwald, O.; Frackowiak, W.; Li, Y.; Kästner, M.; Pösch, A.; Reimche, W.; Reithmeier, E.; Maier, H. J. (2016): Turbine blade wear and damage – An overview of advanced characterization techniquesMaterials Testing 58 (5), S. 389–394
    DOI: 10.3139/120.110872

Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Frackowiak, W.; Barton, S.; Reimche, W.; Bruchwald, O.; Zaremba, D.; Schlobohm, J.; Li, Y., Kaestner, M.; Reithmeier, E. (2018): Near-Wing Multi-Sensor Diagnostics of Jet Engine ComponentsASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition; Oslo, Norway, June 11–15, 2018
    DOI: 10.1115/GT2018-76793
  • Schlobohm, J.; Bruchwald, O.; Frąckowiak, W.; Li, Y.; Kästner, M.; Pösch, Reimche, W.; Maier, H. J., Reithmeier, E. (2017): Advanced Characterization Techniques for Turbine Blade Wear and DamageProcedia CIRP Bd. 59: ELSEVIER, S. 83–88

Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Bruchwald, O.; Frackowiak, W.; Reimche, W.; Maier, H. Jürgen (2016): Applications of high frequency eddy current technology for material characterization of thin coatingsProceedings 12th International Conference The "A" Coatings 2016, S. 37–43, Garbsen: PZH Verlag
  • Bruchwald, O.; Nicolaus, M.; Frackowiak, W.; Möhwald, K.; Reimche, W.; Maier, H. Jürgen (2016): Material Characterization of Thin Coatings Using High Frequency Eddy Current Technology.World Conference on Non-Destructive Testing; WCNDT. München.
  • Frackowiak, W.; Bruchwald, O.; Reimche, W.; Maier, H. Jürgen (2016): Applications of high frequency induction thermography in the megahertz range for material characterization of turbine componentsProceedings 12th International Conference The "A" Coatings 2016, S. 31–36, Garbsen: PZH Verlag
  • Frackowiak, W.; Bruchwald, O.; Zwoch, S.; Reimche, W.; Maier, H. Jürgen (2016): Non-Destructive Damage Detection and Material Characterization of Turbine Components Using Megahertz Range Induction Thermography in Pulsed ModeIn: 19th Proceedings of World Conference on Non-Destructive Testing; WCNDT. Munich, Germany
  • Frackowiak, W.; Bruchwald, O.; Reimche, W.; Bach, F.-W.; Maier, H. J. (2013): High Frequency Eddy-Current and Induction Thermography Inspection Techniques18th International Workshop on Electromagnetic Non-Destructive Evaluation. Bratislava, SK, 24.06.2013

Nationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, nicht begutachtet

  • Reimche, W.; Frackowiak, W.; Bruchwald, O.; Böhm, V.; Bach, F.-W. (2012): Nachweis von lokalen Schädigungen an Hochleistungsbauteilen mit Hochfrequenz Wirbelstromtechniken und Induktions-ThermografieDACH-Jahrestagung 2012 Zerstörungsfreie Materialprüfung. Berlin: DGZfP

Nationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Frackowiak, W.; Barton, S.; Bruchwald, O.; Reimche, W.; Zaremba, D. (2018): Entwicklung einer Hochfrequenz-Induktionsthermografie und -Wirbelstromtechnik zur Fehlerprüfung und Charakterisierung der Schichtsysteme von Triebwerksbeschaufelung im SchaufelkanalDGZfP-Jahrestagung 2018; 7. bis 9. Mai, Leipzig.

Nationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Frackowiak, W.; Bruchwald, O.; Reimche, W.; Maier, H. J. (2014): Schicht-und Bauteilfehlerprüfung mit HF-Wirbelstromprüftechnik und HF-Induktionsthermografie390. Sitzung des Arbeitskreises Niedersachen. Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung. Garbsen, 30.01.2014
  • Krauss, M.; Frackowiak, W.; Pösch, A.; Kästner, M.; Reithmeier, E.; Maier, H. J. (2013): Assessment of used turbine blades on and beneath the surface for product regeneration. Generation of a damage model based on reflection, geometry measurement and thermographyCLEO 2013, 16.5.2013 München

Dissertationen

  • Bruchwald, O. (2017): In-situ-Erfassung der Werkstoffumwandlung und Gefügeausbildung mittels WirbelstromtechnikBerichte aus dem IW 02/2017, PZH Verlag, Garbsen 2017
    ISBN: 3959001347
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITUNG

Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
Vorstand
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
120
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An der Universität 2
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
120

MITARBEITER

M. Sc. Wojciech Frackowiak
Adresse
Lise-Meitner-Straße 1
30823 Garbsen
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30823 Garbsen