DE102005020469A1 - Verfahren zur Ultraschalluntersuchung von Schaufelblättern - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schaufelblättern auf Defekte ohne Entfernen derselben aus den Turbinenmaschinen, deren Teile sie sind, wird offenbart. Das Vefahren verwendet die Phased Array-Ultraschalltechnologie, die an allen Arten von Schaufelblättern angewandt werden kann. Der Eintrittswinkel des Ultraschallstrahls wird unter Anwendung der Phased Array-Ultraschalltechnologie variiert. Der Phased Array-Ultraschall ermöglicht es einem Prüfer, den Ultraschallstrahl auf einen interessierenden Bereich innerhalb des Schaufelblattes zu lenken. Das Phased Array erlaubt es einem Prüfer, viele Winkel gleichzeitig zu überwachen. Solange der Aufnahmewinkel einen kalibrierten Bereich nicht überschreitet, kann der Prüfer einen interessierenden Bereich überwachen, ohne Rücksicht darauf, wie groß der Schallstrahl-Eintrittsflächenwinkel ist. Der Ultraschallstrahl wird gelenkt oder "phases", um verschiedene Ausrichtungen mit einer Aufnahme zu untersuchen. Das Verfahren verwendet einen Phased Array-Transducer, der eine lineare Arraysonde ist, die aus einer Reihe von Transducern zusammengesetzt ist. Jeder dieser Transducer ist zum Auslösen in vorbestimmten Zeitintervallen und auch zum Empfangen in vorbestimmten Zeitintervallen programmiert. Die von jedem einzelnen Transducer akquirierten Signale werden danach durch einen Computer verarbeitet, um eine zusammengestzte Ansicht eines geprüften Bereiches zu ergeben, so dass eine Defektanzeige betrachtet werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Maschinenkomponenten, wie z.B. Schaufelblättern oder Flügeln, auf Defekte und speziell auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung solcher Komponenten auf Defekte unter Verwendung der Phased Array-Ultraschalltechnologie.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Mit der Entwicklung von modernen, komplexeren aerodynamischen Energieerzeugungsmaschinen sind in erhöhtem Maße Studien im Hinblick auf die Prüfung von Maschinenkomponenten betrieben worden, um Verfahren zur Prüfung solcher Komponenten auf Defekte auf nichtinvasive Art zu entwickeln. Einige der kritischsten Komponenten der Maschinen befinden sich an Orten, die nur einen eingeschränkten Zugriff auf sie zulassen. Die meisten bisherigen Studien haben zerstörungsfreie visuelle, radiographische, Eindring (Liquid Penetrant)- und Wirbelstrom-Prüfverfahren angewandt. Um visuelle, Eindring- und Wirbelstrom-Prüfungen durchzuführen, ist es notwendig, Zugang zu allen Oberflächen der zu prüfenden Maschinenkomponente zu haben. Bei zahlreichen Maschinenkomponenten ist dies ohne eine wenigstens teilweise Zerlegung der Maschine nicht möglich.
  • Um eine radiographische Prüfung durchzuführen, muss ein Stück radiographischen Filmes auf der gegenüberliegenden Seite der Maschinenkomponente angeordnet werden, die unter Verwendung einer Strahlungsquelle untersucht wird. Es darf auch nur eine minimale Materialmenge zwischen der Strahlungsquelle und der geprüften Komponente vorhanden sein. An einer vollständig zusammengesetzten Maschine ist es oft nicht möglich, diese beiden Anforderungen zu erfüllen.
  • Traditionell war die Brauchbarkeit von Ultraschall zur Prüfung von Maschinenschaufelblättern auf Defekte im Hinblick auf die dünnen und komplexen Geometrien der Blätter im Allgemeinen begrenzt. Das größte Problem bei der Verwendung von Ultraschall zur Prüfung von Schaufelblättern besteht darin, dass sich die Oberflächen eines Schaufelblattes, an dem eine Prüfung durchgeführt werden kann, im Hinblick auf den interessierenden Bereich des Schaufelblattes in dem Winkel ständig verändern. Um eine Prüfung einer wechselnden Oberfläche unter Verwendung von Ultraschall durchzuführen, wäre die Verwendung vieler diskreter Transducer unter einer Vielzahl von Winkeln erforderlich. Entsprechend wäre die Verwendung eines einzelnen Transducers unpraktisch und unzuverlässig.
  • Das US-Patent Nr. 6,082,198 offenbart die Verwendung von Phased Array-Ultraschall zur Überprüfung auf Defekte von einer Oberfläche aus, die in einem konstanten Winkel zu dem zu prüfenden Bereich ausgerichtet ist. Das offenbarte Verfahren prüft von der Nabe aus und stützt sich auf einen konstanten Zugang von Symmetrie. An Teilen, die in einer Maschine enthalten sind, kann es wegen der Notwendigkeit des Zugangs zu einer Strahleneintrittsoberfläche, der durch andere Komponenten versperrt ist, nicht angewandt werden.
  • Schaufelblätter sind hochbelastete Komponenten von aerodynamischen Maschinen. Wegen dieser hohen Belastungen sollte ein Schaufelblatt regelmäßig auf Defekte untersucht werden. Um zerstörungsfreie Prüfungen an Schaufelblättern durchzuführen, müssen die Maschinen, die diese Teile enthalten, in einem bestimmten Maße zerlegt werden, um den Zugang zu dem gesamten Schaufelblatt herzustellen. Diese Zerlegung ist kostspielig und zeitraubend. Um den Zeitaufwand und die Kosten zu verringern, die zur Demontage einer Maschine aufzuwenden sind, wird eine zerstörungsfreie Technik benötigt, die durch eine kontinuierliche Änderung der Geometrie über die gesamte Schaufeloberfläche hinweg nicht beeinträchtigt wird.
  • Kurze Beschreibung der Erfindungs
  • In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Maschinenkomponente auf Defekte unter Verwendung eines Phased Array-Ultraschallstrahls geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erkennen eines interessierenden Bereiches in der Komponente, wo die Lage mindestens eines Defektes erwartet wird, Bestimmen eines Winkelbereiches zum Steuern oder Lenken des Phased Array-Ultraschallstrahls auf den interessierenden Bereich und dabei Halten des interessierenden Bereiches im Sichtfeld im Verlauf einer Abtastung des Ultraschallstrahls über einen Abschnitt oder Sektor einer Oberfläche der Komponente hinweg, wo der Ultraschallstrahl zum Eintritt in die Komponente veranlasst wird, und Durchführen der Sektoraufnahme, wodurch die Phased Array-Ultraschallstrahlsignale zum Eintritt in die Komponente veranlasst und danach wieder erfasst und verarbeitet werden, um eine zusammengesetzte Ansicht des interes sierenden Bereiches zu erzeugen, so dass ein Defektanzeichen angezeigt werden kann, wobei der gesamte interessierende Bereich ohne Unterbrechung der Aufnahme überwacht wird.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schaufelblättern auf Defekte die Schritte, einen interessierenden Bereich in der Komponente zu erkennen, wo die Lage wenigstens eines Defektes erwartet wird, einen Winkelbereich zum Lenken des Phased Array-Ultraschallstrahls auf den interessierenden Bereich zu bestimmen und dabei den interessierenden Bereich entsprechend einer Abtastung mit dem Ultraschallstrahl über einen Sektor einer Oberfläche der Komponente, wo der Ultraschallstrahl zum Eintritt in die Komponente veranlasst wird, im Blickfeld zu behalten und die Abschnittsaufnahme durchzuführen, wodurch die Phased Array-Ultraschallstrahlsignale zum Eintritt in die Komponente veranlasst und danach wieder erfasst und verarbeitet werden, um eine Gesamtansicht des interessierenden Bereiches zu erzeugen, so dass ein Defektanzeichen angezeigt werden kann, wobei der gesamte interessierende Bereich ohne eine Unterbrechung der Aufnahme überwacht wird.
  • In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung erhält ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Schaufelblattes auf Defekte unter Verwendung einer Transducersonde, die einen Phased Array-Ultraschallstrahl aussendet, die Schritte, einen interessierenden Bereich in einem Schaufelblatt zu identifizieren, in dem die Lage mindestens eines Defektes erwartet wird, die Transducersonde in Abhängigkeit von der Größe des erwarteteten Defektes und davon, wo die Lage des interessierenden Bereiches in dem Schaufelblatt erwartet wird, auszuwählen, einen Strahleneinfallswinkel und einen Winkelbereich zum Lenken des Phased Array-Ultraschallstrahls auf den interessierenden Bereich festzulegen, um dadurch den interessierenden Bereich entsprechend einem Überstreichen eines Abschnittes einer Oberfläche des Schaufelblattes, wo der Ultraschallstrahl zum Eintritt in das Schaufelblatt veranlasst wird, durch die Transducersonde im Blickfeld zu halten, und ein Überstreichen des Abschnittes der Schaufelblattoberfläche durch die Transducersonde durchzuführen, wodurch die Phased Array-Ultraschallstrahlsignale von der Transducersonde so ausgesandt werden, dass sie in das Schaufelblatt eintreten und danach durch die Transducersonde wieder erfasst werden, die wieder erfassten Ultraschallstrahlsignale unter Verwendung eines Computers verarbeitet werden und die Signale zur Erzeugung einer zusammengesetzten Ansicht des interessierenden Bereiches in dem Schaufelblatt, wo die Lage des Defektes erwartet wird, gespeichert werden.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch sorgfältiges Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten, beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger verstanden und eingeschätzt, wobei in den Zeichnungen:
  • 1 ein schematisches Diagramm zeigt, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur zerstörungsfreien Schaufelblattprüfung auf Defekte unter Verwendung von Phased Array-Ultraschall dar stellt,
  • 2 ein Graph ist, der eine Ansicht eines in einem Schaufelblatt unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur zerstörungsfreien Prüfung des Schaufelblatts unter Verwendung von Phased Array-Ultraschall angezeigten Defektes zeigt,
  • 3 ein Graph ist, der eine Antwortfläche unter Verwendung von konventionellem Ultraschalls zur Prüfung eines Blattes zeigt, das gekerbt und gerissen ist,
  • 4 ein Graph ist, der eine Antwortfläche unter Verwendung von Phased Array-Ultraschall zur Prüfung eines Blattes zeigt, das gekerbt und gerissen ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Maschinenkomponenten, wie z.B. Schaufelblättern, auf Defekte ohne ein Entfernen der Komponenten aus den Maschinen, deren Teil sie sind, gerichtet. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet die wohlbekannte Phased Array-Ultraschalltechnologie zur zerstörungsfreien Prüfung der Komponenten auf Defekte und ist auf alle Typen von Komponenten anwendbar, so dass es zur Prüfung einer beliebigen Geometrie verwendet werden kann, wo die Oberfläche der Komponente, durch die der Ultraschallstrahl eintritt, sich im Hinblick auf das auf Defekte zu untersuchende Teil der Komponente in seinem Winkel ändert.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist sowohl auf Längswellen- als auch auf Scherungswellenverfahren anwendbar, die zum Prüfen von Komponenten ohne ein Entfernen derselben aus der Maschine, die sie enthält, verwendet werden. Der Winkel, unter dem der Ultraschallstrahl in eine zu untersuchende Komponente eintritt, wird durch die den Strahl aussendende Transducersonde variiert. Der Phased Array-Ultraschall erlaubt es einem Prüfer, den Ultraschallstrahl auf einen interessierenden Bereich in einer Komponente zu lenken, wo wahrscheinlich Defekte zu finden sind. Der Phased Array-Ultraschall erlaubt dem Prüfer auch, zahlreiche Winkel auf einmal zu überwachen. Solange der Winkel einen kalibrierten Bereich nicht überschreitet, kann ein Prüfer den interessierenden Bereich ohne Rücksicht darauf überwachen, wie groß der Oberflächeneintrittswinkel des Schallstrahles ist.
  • Mit Bezug auf 1: Die vorliegende Erfindung löst das Problem der zerstörungsfreien Prüfung der komplexen Geometrieen von Maschinenkomponenten, wie z.B. eines in 1 gezeigten Schaufelblattes 10, durch „Lenken" oder „Phasing" eines Ultraschallstrahls 12 (Phased Array-Ultraschall) zum Prüfen eines Schaufelblattes 10 auf Defekte unter Verwendung verschiedener Ausrichtungen bei einer Aufnahme. Wie in 1 zu sehen ist, stellt die horizontale Linie 14 des Strahls 12 einen Schallpfad senkrecht zu oder direkt unterhalb einer Transducersonde 16 dar. Die vertikale Linie 18 des Strahls 12 stellt eine Strahllenkung oder ein „Phasing" von 90° dar. Die in einem Schaufelblatt 10 gezeigte Risslinie 20 zeigt einen Defekt in dem Schaufelblatt an. Wie in 1 zu sehen ist, kann der Defekt 20 nur erkannt werden, wenn der die Sonde 16 benutzende Bediener einen Strahlwinkel von 45 bis 50° relativ zu dem Normalstrahl 14 verwendet. Weil die Oberfläche 22, an der der Transducer 16 mit dem Schaufelblatt 10 in Kontakt steht, ihre Richtung ändert, ändert sich der Winkel unter dem der Strahl 12 in das Schaufelblatt 10 eintritt, so dass sich der Winkel des Strahls 12 zum Abtasten des interessierenden Bereiches 24 in dem Schaufelblatt 10 entsprechend ändern wird.
  • Die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzte Phased Array-Transducersonde 16 ist eine Lineararray-Sonde, die aus einer Reihe von Transducern besteht. Jeder dieser Transducer wird zu vorbestimmten Zeitintervallen ausgelöst und empfängt zu vorbestimmten Zeitintervallen ein Ultraschallsignal zurück. Dieses vorbestimmte Auslösen und Empfangen ist das Phasing, das das Lenken des Strahls 12 ermöglicht. Die von jedem Transducer akquirierten Ultraschallsignale werden dann durch einen Computer verarbeitet, um eine zusammengesetzte Ansicht des interessierenden Bereiches 24, der untersucht wird, zu ergeben.
  • Um ein Schaufelblatt 10 von seiner Blattoberfläche 22 aus zu untersuchen, muss zuerst der Bereich von Winkeln bestimmt werden, die benötigt werden, um den interessierenden Bereich 24 im Blickfeld zu halten. Es wird dann ein Abtasten oder Überstreichen eines Sektors eingestellt, welches die zur Untersuchung des interessierenden Bereiches erforderlichen Winkel umfasst. Während der Prüfung kann der gesamte interessierende Bereich 24 ohne Unterbrechung der Prüfung überwacht werden. Auch können durch Verwendung einer Ultraschall-Phased Array-Sektoraufnahme Teile in einer Maschine mit begrenzter Zugänglichkeit, wie z.B. Schaufelblätter, leicht geprüft werden, ohne die das Schaufelblatt enthaltende Maschine zu zerlegen. Dies ist der Fall, weil das Prüfverfahren der vorliegenden Erfindung den Zugang zu allen interessierenden Bereichen mit körperlichen Mitteln nicht erfordert. Durch Verwendung eines Phased Array-Strahls kann ein Bediener alle interessie renden Strahlwinkel bei einer Aufnahme sehen. Dies erlaubt eine verständlichere Ansicht des Prüfbereiches 24 und verringert die Prüfvariation. 2 zeigt eine Ansicht einer Anzeige 26 eines Defektes, der unter Verwendung des Prüfverfahrens der vorliegenden Erfindung mit Phased Array-Technologie festgestellt worden ist. Die Y-Achse stellt den Ultraschallstrahlwinkel dar, und die X-Achse stellt den Ultraschallstrahlweg oder -vorschub dar.
  • Das Prüfverfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Prüfung eines Schaufelblattes 10 unter Verwendung der Blatt- oder Leitschaufeloberfläche 22 als Strahleintrittsfläche. Der Bereich der Winkel, die benötigt werden, um einen interessierenden Bereich während einer Aufnahme im Blickfeld zu behalten, wird vorzugsweise unter Verwendung einer Zeichnung des zu prüfenden Teils 10 bestimmt. Unter der Annahme, dass der Ultraschallstrahl an einer speziellen Stelle auf der Blatt- oder Leitschaufeloberfläche 22 des Schaufelblattes 10 in das Schaufelblatt 10 eintritt, kann ein Winkelmesser zusammen mit der Zeichnung des Schaufelblattes verwendet werden, um den Strahlwinkel, unter dem das Vorhandensein eines Defektes erwartet wird, und den Winkelbereich zu bestimmen, der zum Lenken des Ultraschallstrahls 12 erforderlich ist, um den interessierenden Bereich 24 während einer Aufnahme im Sichtbereich zu behalten. Durch die Verwendung des Winkelmessers kann relativ zu der Eintrittsoberfläche des Schaufelblattes der Winkel zu der Richtung bestimmt werden, wo sich wahrscheinlich ein Defekt befindet, d.h. der Winkel, unter dem der Strahl gebrochen werden sollte. Unter Anwendung des Snelliusschen Brechungsgesetzes kann der Brechungswinkel des Ultraschallsignals, das in ein zu prüfendes Teil eintritt, aus dem Einfallswinkel bestimmt werden, unter dem der Ultraschall in das Teil eintritt. Das heißt, dass das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels des Ultraschalls zu dem Sinus des Brechungs- oder Ausfallswinkels des Ultraschalls konstant ist. Bei gegebener Geometrie eines zu untersuchenden Teils und gegebenem Winkel zu dem Bereich, der wahrscheinlich den Defekt enthält, kann der Abtastwinkel leicht bestimmt werden. Noch ein weiterer Weg zum Bestimmen des Prüfwinkels ist die Verwendung einer Reihe von Transducern mit diskreten Winkeln. Ein Plan des Prüfbereiches kann angefertigt werden, indem herausgefunden wird, welche Winkel für jedes Gebiet der Prüfoberfläche die optimale Prüfung ergeben.
  • Die Verwendung einer Zeichnung eines zu untersuchenden Teiles 10 ermöglicht es, den Winkel zu dem zu untersuchenden Bereich 24 leicht zu bestimmen. Wenn z.B. ein Defekt im Winkel von 15° von einer Senkrechten zu der Eintrittsoberfläche eines zu untersuchenden Schaufelblattes angeordnet ist, könnte ein Aufnahmewinkel von 10° bis 40° verwendet werden, so dass der interessierende Bereich 24 immer innerhalb des Sichtfeldes eines das Teil 10 untersuchenden Prüfers liegt. Wenn der Defekt unter einem Winkel von 30° angeordnet ist, könnte ein Aufnahmewinkel von 20 bis 40° verwendet werden.
  • Der Aufnahmewinkel wird sich ändern, wenn das Material wechselt, aus dem das zu untersuchende Teil 10 hergestellt ist. Der Aufnahmewinkel für ein aus Stahl hergestelltes Teil wird sich von dem Aufnahmewinkel für ein gleiches, aus Aluminium gefertigtes Teil unterscheiden, weil sich die Geschwindigkeiten unterscheiden, mit denen sich der Schall in den beiden Materialien ausbreitet. Die Geschwindigkeit ist Bestandteil der Berechnung des Aufnahmewinkels, der sich in Abhängigkeit von dem zur Herstellung des zu untersuchenden Schaufelblattes verwendeten Material ändert. Unter Anwendung des Snel liusschen Brechungsgesetzes kann der Brechungswinkel des Ultraschallsignals, das in ein zu untersuchendes Teil eintritt, aus dem Einfallswinkel bestimmt werden, unter dem das Ultraschallsignal in das Teil eintritt. Das heißt, dass das Verhältnis des Sinus des Einfallwinkels des Ultraschalls zu dem Sinus des Brechungswinkels des Ultraschalls gleich der Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Material der Einfallsseite dividiert durch die Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Material der Brechungsseite ist. Folglich wird sich der Aufnahme- oder Abtastwinkel in Abhängigkeit von der Dichte des Materials ändern.
  • Der Aufnahme- oder Abtastwinkel, der als ein Fenster angesehen werden kann, ist konstant, aber der Winkel des Fensters wird nicht immer konstant sein. Weil sich die Oberfläche, durch die der Ultraschallstrahl in ein Komponententeil eintritt, im Winkel ändert, kann wegen der Verwendung eines Phased Array-Ultraschallstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung eine einzelne Aufnahme oder Abtastung verwendet werden. Ohne einen Phased Array-Ultraschallstrahl können in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Änderung des Winkels der Eintrittsoberfläche, auf der die Abtastung oder das Überstreichen unter Verwendung einer Transducersonde 16 vorgenommen wird, 20 oder 30 Untersuchungen desselben, zu prüfenden Teils notwendig sein.
  • Das Prüfverfahren der vorliegendem Erfindung ermöglicht es, dass die während einer Aufnahme gesammelten Daten im Zusammenhang mit einem Defekt 20 digitalisiert und gespeichert werden, so dass aufeinander folgende Prüfungen mit größerer Zuverlässigkeit miteinander verglichen werden können, wodurch es möglich wird, dass die Variationen oder Schwankungen zwischen den Prüfern wesentlich verringert werden. Die Fähigkeit, fehlerhafte Stellen zu kennzeichnen, ist ein weiterer Vorteil des Prüfverfahrens der vorliegenden Erfindung. Wenn die Ultraschalleintrittsoberfläche 22 ihre Ausrichtung ändert, wird eine direkte Messung der Größen der fehlerhaften Stellen schwierig. Um diesem Problem zu begegnen, können Proben mit Defekten (oder Reflektoren) von bekannter Größe aufgenommen werden. Messungen dieser Reflektoren werden an jeder Stelle aufgenommen, wo sich der Eintrittswinkel um ± 3° ändert. Die Reflektorgrößen werden für eine weitere Bezugnahme dokumentiert. Wenn während einer Prüfung bei einem Oberflächeneintrittswinkel eines bestimmten Ultraschallpfades ein verdächtiger Reflektor entdeckt wird, wird dieser mit den Referenzreflektor verglichen. Das Quadrat des Verhältnisses des geprüften Reflektors zu dem Referenzreflektor wird verwendet, um aus der bekannten Reflektorgröße die Defektgröße abzuleiten. Angesichts der Tatsache, dass das Defektanzeichen mit einer einzigen Phased Array-Ultraschallaufnahme über seine gesamte Länge hinweg gesehen werden kann, kann auch die Länge des Defektes bestimmt werden.
  • Die bevorzugte Sonde, die mit dem Prüfverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, enthält eine Vielzahl von Transducern, die in einer Linie liegen und von 1 bis 16 nummeriert sind. Eine positive Lenkung des Ultraschallstrahls tritt ein, wenn die Transducer in der Reihenfolge 1, 2, 3 usw. bis 16 ausgelöst werden, so dass der Strahl über die Seite hinweg, wo der Transducer 16 angeordnet ist, nach oben gekippt ist. Eine negative Lenkung des Ultraschallstrahls tritt ein, wenn die Transducer in der Reihenfolge 16, 15, 14 usw. bis 1 ausgelöst werden, so dass der Strahl über die Seite hinweg, wo der Transducer 1 angeordnet ist, nach unten gekippt ist. Die Lenkung des Ultraschallstrahls tritt auch als eine Folge davon auf, dass jede ausgesandte Wellenfront mit der ihr vorangegangenen, ausgesandten Wellenfront in Interferenz gerät.
  • Als ein Bestandteil des Prüfverfahrens der vorliegenden Erfindung müssen die Größe und die Frequenz der Transducersonde bestimmt werden. Phased Array-Sonden können in einer breiten Vielfalt von Größen und Frequenzen hergestellt werden. Eine Sonde kann für nahezu jede beliebige Anwendung entworfen und kann klein genug hergestellt werden, um in die meisten Zwischenräume zu passen. Die Anzahl der Transducerchips, die in der Sonde enthalten sind, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Anwenden des Ultraschallstrahls verwendet wird, wird sich in Abhängigkeit von der Größe der Sonde ändern. Typischerweise wird die Größe der Sonde in Abhängigkeit von der Größe des erwarteten Defektes und abhängig davon gewählt, wo in dem zu untersuchenden Teil die Lage des Defektes erwartet wird.
  • Die Verwendung von Phased Array-Ultraschall bei einer Maschinenkomponente, wie z.B. einem Schaufelblatt 10, ermöglicht es, das Schaufelblatt mit einer minimalen Zerlegung der Maschine, in der es angeordnet ist, zu untersuchen. Die Transducersonde 16 kann an eine Handhabungsvorrichtung angepasst werden, um Zugang zu Prüfbereichen zu erhalten, die mit anderen Mitteln der Prüfung ohne irgendeine Form der Zerlegung der Maschine nicht zugänglich sind. Zahlreiche Defekte, die sich in Maschinenkomponentenbereichen bilden, die bei einer vollständig zusammengesetzten Maschine unzugänglich sind, können unter Verwendung des zerstörungsfreien Prüfverfahrens der vorliegenden Erfindung erkannt werden.
  • Die Zuverlässigkeit der Prüfungen unter Verwendung von Phased Array-Ultraschall wird durch die hierin in den 3 und 4 gezeigten Daten gezeigt. Die Phased Array-Ultraschallantworten von Schaufelblättern, die gekerbt und gerissen sind, wurden mit Antworten oder Wiedergaben unter Verwendung von konventionellem Ultraschall verglichen, um die Fähigkeit des Phased Array-Ultraschalls zur Prüfung von Teilen zu demonstrieren. 3 zeigt eine Antwortfläche bei der Verwendung von konventionellem Ultraschall. 4 zeigt eine Antwortfläche bei der Verwendung von Phased Array-Ultraschall. Diese Antwortflächen stellen die Signale dar, die bei verschiedenen Ausrichtungen des Schaufelblattes gesehen worden sind. Die „X"-Achse ist die Entfernung entlang einer Schallstrahleintrittsfläche, die sich in dem Winkel ändert. Die „Y"-Achse ist der Winkel zwischen der Schalleintrittsfläche und dem interessierenden Bereich. Die schattierten Darstellungen 28 und 30 stellen Signal-Rausch-Verhältnisse dar. Aus den 3 und 4 kann die Wahrscheinlichkeit der Erkennung eines Ultraschallsignals erkannt werden, das einen Defekt 20 darstellt. Die schattierten Darstellungen 28 und 30 der 3 und 4 zeigen, dass die Signale von Defekten bei Verwendung von Phased Array-Ultraschall (4) wesentlich leichter gesehen werden als bei Verwendung von konventionellem Ultraschall (3). Es sollte auch bemerkt werden, dass jeder in 3 dargestellte Schallwinkel mit einem unterschiedlichen Transducer aufgenommen worden ist. Dies führt zu einer Unterbrechung der Aufnahmevorgänge. Die in 4 für Phased Array-Ultraschall dargestellten Strahlwinkel sind mit einer einzigen Transducersondenaufnahme aufgenommen worden.
  • Ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Schaufelblättern auf Defekte ohne Entfernen derselben aus den Turbinenmaschinen, deren Teile sie sind, wird offenbart. Das Verfahren verwendet die Phased Array-Ultraschalltechnologie, die an allen Arten von Schaufelblättern angewandt werden kann. Der Eintrittswinkel des Ultraschallstrahls wird unter Anwendung der Phased Array-Ultraschalltechnologie variiert. Der Phased Array-Ultraschall ermöglicht es einem Prüfer, den Ultraschall strahl auf einen interessierenden Bereich innerhalb des Schaufelblattes zu lenken. Das Phased Array erlaubt es einem Prüfer, viele Winkel gleichzeitig zu überwachen. Solange der Aufnahmewinkel einen kalibrierten Bereich nicht überschreitet, kann der Prüfer einen interessierenden Bereich überwachen, ohne Rücksicht darauf, wie groß der Schallstrahl-Eintrittsflächenwinkel ist. Der Ultraschallstrahl wird gelenkt oder „phased", um verschiedene Ausrichtungen mit einer Aufnahme zu untersuchen. Das Verfahren verwendet einen Phased Array-Transducer, der eine lineare Arraysonde ist, die aus einer Reihe von Transducern zusammengesetzt ist. Jeder dieser Transducer ist zum Auslösen in vorbestimmten Zeitintervallen und auch zum Empfangen in vorbestimmten Zeitintervallen programmiert. Die von jedem einzelnen Transducer akquirierten Signale werden danach durch einen Computer verarbeitet, um eine zusammengesetzte Ansicht eines geprüften Bereiches zu ergeben, so dass eine Defektanzeige betrachtet werden kann.
  • Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit demjenigen beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, muss verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern es im Gegenteil beabsichtigt ist, vielfältige Veränderungen und äquivalente Anordnungen einzubeziehen, die von dem Geist und dem Bereich der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
    • 10
    Schaufelblatt
    12
    Ultraschallstrahl
    14
    Horizontale Linie
    16
    Transducersonde
    18
    Vertikale Linie
    20
    Defekt
    22
    Blattoberfläche
    24
    Interessierender Bereich
    26
    Defektanzeige
    28
    Schattierte Darstellung
    30
    Schattierte Darstellung

Claims (10)

  1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Maschinenkomponente (10) auf Defekte unter Verwendung eines Phased Array-Ultraschallstrahls (12), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erkennen eines interessierenden Bereiches (24) in der Komponente (10), wo die Lage wenigstens eines Defektes (20) erwartet wird, Bestimmen eines Winkelbereiches zum Lenken des Phased Array-Ultraschallstrahls (12) auf den interessierenden Bereich (24) und dabei Halten des interessierenden Bereiches (24) im Sichtfeld bei einer Abtastung durch den Ultraschallstrahl (12) über einen Sektor einer Oberfläche der Komponente (10) hinweg, wo der Ultraschallstrahl (12) zum Eintritt in die Komponente (10) veranlasst wird, und Durchführen der Sektorabtastung, wodurch die Phased Array-Ultraschallstrahlsignale zum Eintritt in die Komponente (10) veranlasst und danach wieder erfasst und verarbeitet werden, um eine zusammengesetzte Ansicht des interessierenden Bereiches (24) zu liefern, so dass eine Defektanzeige (26) betrachtet werden kann, wobei der gesamte interessierende Bereich 24 ohne Unterbrechung der Aufnahme überwacht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Phased Array-Ultraschallstrahl (12) mit Hilfe eines Transducers (16), der über den Sektor der Oberfläche der Komponente (10) hinweg abtastet, zum Eintritt in die Komponente (10) veranlasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Transducer (16) eine lineare Arraysonde ist, die aus einer Reihe von Transducern besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem jeder der Transducer (16) in ersten vorbestimmten Zeitintervallen ausgelöst wird und in zweiten vorbestimmten Zeitintervallen empfängt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Ultraschallstrahlsignale durch jeden Transducer (16) wieder erfasst und danach durch einen Computer bearbeitet und gespeichert werden, um eine zusammengesetzte Ansicht des interessierenden Bereiches (24) zu ergeben, so dass der Defekt betrachtet werden kann.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Winkelbereich zum Lenken des Phased Array-Ultraschallstrahls (12) unter Verwendung einer Zeichnung der Komponente (10) und eines Winkelmessers zum Messen eines Brechungswinkels von der Oberfläche der Komponente (10), wo der Ultraschallstrahl (12) zum Eintritt in die Komponente (10) veranlasst wird, und dem interessierenden Bereich (24) in der Komponente (10), wo die Lage des Defektes (20) erwartet wird, bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Brechungswinkel des Ultraschallstrahls (12) sich mit Änderungen des Einfallwinkels des in die Oberfläche der Komponente (10) eintretenden Ultraschallstrahls (12) ändert, nachdem er in die Komponente (10) eingetreten ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Winkelbereich zum Lenken des Phased Array-Ultraschallstrahls (12) ungefähr ± 10° um den Strahleinfallswinkel herum beträgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Vergleichen eines einen zu prüfenden Defekt enthaltenden Reflektors mit wenigstens einem dokumentierten Reflektor enthält, der mit Defekten (20) von bekannter Größe zum Bestimmen der Größe des zu prüfenden Defektes in der Komponente (10) hergestellt worden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Größe des Defektes (20) in der Komponente (10) aus dem Quadrat eines Verhältnisses des Prüfreflektorwinkels zu einem dokumentierten Reflektor bestimmt wird.
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