Messtechnik

Bei der Vermessung von Turbomaschinen und ihren Komponenten geht es in der Regel um kleine Änderungen, die dann übertragen auf die Gesamtmaschine große Auswirkungen haben. Die präzise Vermessung der Strömung ist nur mit Hilfe von hochgenauen Messinstrumenten möglich, die in der Regel individuell an die Aufgabe angepasst werden. Das Fachgebiet hat seit seiner Entstehung intensiv auf den Gebieten Entwicklung, Konstruktion, Kalibration, Einsatz und Auswertung dieser Messtechniken gearbeitet. Die große Expertise ermöglicht hochgenaue und flexible Lösungen für fast alle Messaufgaben. Dabei kann für die meisten Instrumente auf die eigene Werkstatt zurückgegriffen werden, wodurch die Fertigungszeiten gering sind und bereits während der Fertigung auf Schwierigkeiten reagiert werden kann.

Druck- und Temperatur-Kammsonde

Statische Druckbohrungen auf Schaufelprofil und Schaufelplattform

Telemetrie zur Bestimmung von Druckwerten im rotierenden System

Piezoresistive Drucksensoren werden verwendet, um hochinstationäre Effekte in Verdichtern und Turbinen zu erfassen. Durch den Einsatz wandbündiger Sensoren können Strömungsvorgänge im Blattspitzenbereich der Rotoren erfasst werden.

Außerdem ermöglicht der Einsatz von instationären Sonden, die direkt in die Strömung eingebracht werden, das Erfassen der Rotor- und Statorabströmung.

Zur Vermessung der Rotorabströmung wird, insbesondere in Axialverdichtern, Instrumentierung an den Vorderkanten der nachfolgenden Statorbeschaufelung eingesetzt. Es wird dabei zwischen stationär und instationär messender Instrumentierung unterschieden. Das Fachgebiet GLR führt hierbei sämtliche Arbeitsschritte von der Auslegung und Konstruktion über Fertigung und Kalibration bis hin zur Inbetriebnahme in Eigenregie durch

Fünflochsonde

  • Pneumatisches Messprinzip (stationär)
  • Mögliche zu bestimmenden Kenngrößen:
    • Totaldruck
    • Statischer Druck
    • Mach-Zahl
    • Strömungswinkel (in zwei Raumrichtungen)
  • Möglicher Einsatzbereich:
    • Vermessung des Strömungsfeldes hinter IGV, Rotor oder Stator
    • Frei wählbare Schrittweite in radialer sowie Umfangsrichtung

Dreilochsonde (Kammsonde)

  • Pneumatisches Messprinzip (stationär)
  • Mögliche zu bestimmenden Kenngrößen:
    • Totaldruck
    • Statischer Druck
    • Mach-Zahl
    • Strömungswinkel (in eine Raumrichtung)

Das GLR hat umfangreiche Erfahrung in der Anwendung der „Particle Image Velocimetry“ zur Strömungsuntersuchung in Turbomaschinen. Es stehen Komponenten sowohl für planares als auch für stereoskopisches 2D PIV zur Verfügung. Bei der Untersuchung der Turbinen- und Verdichterströmung in den rotierenden Prüfständen des Fachgebiets kommt der optischen Zugänglichkeit für Lichtschnitt und Bildaufnahme erhebliche Bedeutung zu. Die Prüfstände sind hierzu mit optischen Zugängen versehen. Dies können Fenster sein, welche in die Gehäuse eingelassen werden. Weiterhin stehen verschiedene Endoskope und Boroskope zur Verfügung, um den Lichtschnitt beziehungsweise das Sichtfeld an schwer erreichbaren Stellen zu ermöglichen.

Durch den Einsatz von kapazitiven Sensoren können betriebskritische Schaufelschwingungen kontaktlos online überwacht werden. Im Nachgang können die Daten genutzt werden, um das Schwingungsverhalten der Rotoren und die zugrunde liegenden Wirkmechanismen besser zu verstehen.

Bei der anwendungsorientierten Untersuchung von Gasturbinen und Flugtriebwerken stehen neben der Untersuchung einzelner und häufig lokaler Phänomene auch Aussagen über die Effizienz im Fokus. Durch die Anwendung entsprechender Messeinrichtungen erlauben die rotierenden Prüfstände des Fachgebiets, die mechanischen und strömungsdynamischen Zustände in der Maschine energetisch zu quantifizieren. Die Großprüfstände erlauben Aussagen über das aktuell vorliegende Drehmoment. Über traversierbare Sonden lässt sich die Strömung vor und hinter der jeweiligen Komponente charakterisieren.

Farbanstrichverfahren

Das Verfahren des Farbanstrich wird dazu verwendet wandnahe Strömungensphänomene sichtbar zu machen. Hierzu wird auf den zu untersuchenden Bereich ein Gemisch aus Bindemittel und einem Verdünner aufgetragen. Zur besseren Sichtbarmachung der Strömungsphänomene können zusätzlich Farbpartikel hinzugegeben werden. Anschließend wird das wird der beschichte Bereich der Strömung ausgesetzt. Aufgrund der Wandschubspannung wird das Bindemittel-Verdünner-Gemisch mit der Strömung mitbewegt. Gleichzeitigt beginnt der Verdünner sich zu verflüchtigen und das Bindemittel bleibt auf der Oberfläche haften. Hierbei entstehen üblicherweise Ansammlung des Bindemittels in Bereichen von Totwasser- sowie Ablösungsgebieten. In Bereichen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit wird in der Regel mehr Bindemittel weggetragen und es entstehen farblose Bereiche. Die Auswertung der erzielten Ergebnisse erfolgt zumeist durch die fotografische Dokumentation.

Drucksensitive Farbe (PSP) ist eine optische Messtechnik, die am Fachgebiet zur Bestimmung der Filmkühleffektivität in der Turbine eingesetzt wird. Drucksensitive Farbe fluoresziert nach Anregung durch eine Lichtquelle mit einer bestimmten Wellenlänge. Die Fluoreszenzintensität ist abhängig vom Partialdruck des Sauerstoffs auf der Farboberfläche und kann mit einer Kamera gemessen werden. Durch Ausblasung eines Fremdgases durch die Kühlbohrungen kann man unter Anwendung der Analogie zwischen Wärme und Stofftransport auf die Filmkühleffektivität schließen.

Naphtalin Sublimationsmethode

Ammoniak-Diazo-Methode

Die eingesetzte Messmethode, um die Filmkühleffektivität bzw. die Güte des Kühlfilms zu bestimmen, ist die Ammoniak-Diazo-Methode. Hierbei wird auf die Oberfläche des Schaufel-Modells eine Diazofolie aufgeklebt, welche sich bei Kontakt mit Ammoniak dunkel verfärbt. Nun wird der Kühlluft für einige Sekunden ein kleiner Anteil Ammoniak-Gas beigemischt. Dieses Gemisch wird durch die Filmkühlbohrungen geleitet und verfärbt die Folie entsprechend der jeweiligen Ammoniakkonzentration. Diese Konzentration, bzw. Verfärbung ist proportional zur Filmkühleffektivität.

Infrarot-Thermographie