RU2235303C1 - Method of checking turbomachine blade cooling channels - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; nondestructive checks.

SUBSTANCE: invention can be used for revealing defects such as chocking, for instance, by remnants of ceramics, not completely overlapping blade cooling channels of turbomachine after pickling and also for revealing internal defects of articles. According to proposed method, checking of blade cooling channels is carried out by blowing through blade cooling system channels with hot air and blowing its outer surface with cooling air, measuring temperature patterns on blade surface when stationary temperature state is attained and processing of obtained thermograms. Blade for testing is placed in shaped housing, simulating turbomachine passage part, made of infrared rays conducting material, outer surface of blade is blown by air at room temperature with simultaneous delivery of hot air into channels of blade cooling system and measuring temperature patterns on blade surface with recording of thermograms of temperature patterns

to moment when stationary temperature state is attained, and then cooling gas is fed into blade cooling system channels until stationary temperature state

is attained at which the following condition should be observed:

where

is temperature of blown-through hot air, ^oC;

is temperature of blowing out room temperature air, ^oC;

is temperature of blown through cold air ^oC; Processing of thermograms is carried out by creating mathematical charts of blade surface temperature patterns according to following algorithm

. Charts are chosen for each point of thermogram reflecting inverse states, and presence of defects is revealed by maximum temperature jump.

EFFECT: improved sensitivity and reliability of checking.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для выявления дефектов типа засоров, в том числе остатков керамики, не перекрывающих полностью каналы охлаждения лопатки турбомашины после травления, а также выявления внутренних дефектов изделия телевизионным методом.The invention relates to non-destructive testing and can be used to detect defects such as blockages, including ceramic residues that do not completely cover the cooling channels of the turbomachine blade after etching, as well as to identify internal defects of the product by the television method.

Известен способ неразрушающего контроля с использованием термографии для определения внутренних дефектов с разрешением по времени и глубине залегания дефектов (заявка ЕР №0840110).A known method of non-destructive testing using thermography to determine internal defects with a resolution of time and depth of occurrence of defects (application EP No. 08840110).

Основным недостатком этого способа является низкая чувствительность выявления дефектов малых размеров (менее 2 мкм), расположенных в более глубоких слоях изделия.The main disadvantage of this method is the low sensitivity of detecting defects of small sizes (less than 2 microns) located in the deeper layers of the product.

Для контроля расположения и чистоты внутренних каналов в элементах конструкций применяется тепловизионный метод контроля наиболее производительный и экологически чистый по сравнению с рентгенографическим методом, основанный на регистрации температурного поля при разогреве (охлаждении) контролируемых изделий.To control the location and cleanliness of the internal channels in the structural elements, the thermal imaging control method is used that is the most productive and environmentally friendly in comparison with the X-ray method, based on the registration of the temperature field during heating (cooling) of the controlled products.

Известен способ контроля охлаждаемых лопаток, заключающийся в сравнении термограмм контролируемых лопаток, полученных с экрана тепловизора при охлаждении лопатки путем впрыскивания во внутренние каналы охлаждающей среды, с термограммой эталонной лопатки (патент США 3566669).A known method of monitoring cooled blades, which consists in comparing thermograms of controlled blades obtained from the thermal imager screen when cooling the blades by injecting cooling medium into the internal channels, with a thermogram of a reference blade (US patent 3566669).

Недостатком способа является низкая достоверность контроля, связанная с необходимостью сопоставления термограмм контролируемой лопатки с эталонной.The disadvantage of this method is the low reliability of control associated with the need to compare the thermograms of the controlled blades with the reference.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ контроля охлаждаемых лопаток турбомашины. Этот способ контроля реализуется путем продувки каналов рабочей средой заданной температурой и охлаждения наружной поверхности лопатки в зонах измерения и сопоставления полученных результатов при достижении стационарного температурного состояния с эталонной лопаткой (ав. св. СССР 717599).The closest technical solution to the proposed is a method for monitoring cooled turbomachine blades. This control method is implemented by purging the channels with the working medium at a given temperature and cooling the outer surface of the blade in the measurement zones and comparing the results obtained when a stationary temperature state is reached with a reference blade (av. St. USSR 717599).

Недостатком известного способа является низкая достоверность контроля, связанная с необходимостью сопоставления термограмм контролируемой лопатки с эталонной, и возможность выявления только полностью заблокированных каналов.The disadvantage of this method is the low reliability of control associated with the need to compare the thermograms of the controlled blades with the reference, and the ability to identify only completely blocked channels.

Технической задачей изобретения является повышение информативности, чувствительности и достоверности контроля, что дает возможность выявления остатков керамики, не перекрывающих полностью каналы охлаждения.An object of the invention is to increase the information content, sensitivity and reliability of the control, which makes it possible to identify ceramic residues that do not completely cover the cooling channels.

Для решения поставленной задачи предложен способ контроля каналов охлаждения лопаток турбомашины путем продувки каналов системы охлаждения лопатки горячим воздухом и обдува ее наружной поверхности охлаждающим воздухом, измерения поля температур поверхности лопатки при достижении стационарного температурного состояния и обработка полученных термограмм, отличающийся тем, что лопатку помещают в профилированный корпус, имитирующий проточную часть турбомашины, выполненный из инфракрасно-проводящего материала, обдув наружной поверхности лопатки осуществляют воздухом комнатной температуры с одновременной подачей горячего воздуха в каналы системы охлаждения лопатки и измерением поля температур поверхности лопатки с записью термограмм теплового поля (T₁) до момента установления стационарного температурного состояния, затем в каналы системы охлаждения лопатки подают охлаждающий газ до момента установления стационарного температурного состояния (Т₂), при этом должно соблюдаться следующее условие: |Т_гор-Т_ср|=|Т_хол-Т_cр|, где Т_гор - температура горячего продуваемого воздуха (°С), Т_ср - температура обдувающего воздуха комнатной температуры (°С), Т_хол - температура продуваемого газа (°С), а обработку термограмм осуществляют путем создания математических карт поля температур поверхности лопатки по следующему алгоритму: |Т₁-Т_ср|-|Т₂-Т_ср| для каждой точки термограмм, выбирают карты, отражающие инверсные состояния, а о наличии дефектов судят по максимальному скачку температуры. При этом газ подают в каналы системы охлаждения лопатки, выбранный из группы: аргон, фреон, азот.To solve this problem, a method for controlling the cooling channels of the blades of a turbomachine by blowing the channels of the cooling system of the blades with hot air and blowing its outer surface with cooling air, measuring the temperature field of the surface of the blades upon reaching a stationary temperature state and processing the obtained thermograms, characterized in that the blade is placed in a profiled case simulating the flow part of a turbomachine, made of infrared conductive material, blowing the outer surface STI blade carried by air to room temperature while supplying hot air into the blade cooling channels and measuring the temperature field of the blade surface with the recording thermograms thermal field (T ₁₎ until the establishment of steady temperature state, and then into the channels of the blade cooling system is supplied cooling gas to the establishment of stationary temperature state (T ₂ ), while the following condition must be met: | T _mountains -T _cf | = | T _cold -T _cr |, where T _mountains - hot blown temperature about air (° C), T _cf is the temperature of the blowing air at room temperature (° C), T _hol is the temperature of the purged gas (° C), and the processing of thermograms is carried out by creating mathematical maps of the temperature field of the surface of the blade according to the following algorithm: | T ₁ -T _Wed | - | T ₂ -T _Wed | for each point of the thermograms, maps reflecting inverse states are selected, and the presence of defects is judged by the maximum temperature jump. At the same time, gas is supplied to the channels of the blade cooling system selected from the group: argon, freon, nitrogen.

На чертеже показано устройство, реализующее предложенный способ, где 1 - профилируемый корпус, имитирующий проточную часть турбомашины, выполненный из инфракрасно-прозрачного материала, 2 - канал подвода охлаждающего воздуха, 3 - лопатка с каналами, подключенными к трубопроводу, 4 - трубопровод подвода поочередно горячего воздуха или газа.The drawing shows a device that implements the proposed method, where 1 is a profiled body that simulates the flow part of a turbomachine made of infrared transparent material, 2 is a channel for supplying cooling air, 3 is a blade with channels connected to the pipeline, 4 is a pipeline for supplying alternately hot air or gas.

Пример осуществления. Контролируемую лопатку 3, выполненную из жаропрочного сплава типа ЖС, помещают в профилируемый корпус, имитирующий проточную часть турбомашины 1, выполненный из инфракрасно-прозрачного материала, боковые стенки которого повторяют профиль канала лопаточной решетки турбины. Через канал подвода охлаждающего воздуха 2 осуществляется обдув наружной поверхности лопатки воздухом, имеющим температуру окружающей среды (Т_ср=20°С) одновременно в каналы системы охлаждения лопатки подается горячий воздух (Т_гор=80°С).An example implementation. The controlled blade 3, made of a heat-resistant alloy of type ЖС, is placed in a shaped body that simulates the flow part of the turbomachine 1, made of infrared transparent material, the side walls of which repeat the channel profile of the turbine blade grid. After cooling air blowing duct 2 is the outer surface of the blade air having an ambient temperature (T _av = 20 ° C) both in the cooling channels of the blade feeding hot air _(hot T = 80 ° C).

За счет обращения теплового потока температура камеры будет ниже температуры лопатки, чем исключаются фоновые помехи. Температурное поле лопатки фиксируется тепловизором через боковые стенки профилированного корпуса и производится запись термограмм теплового поля до момента установления стационарного температурного состояния (T₁). Стационарное температурное состояние заключается в том, что распределение температуры на стенках канала становится постоянным. В этом случае при наличии остатков керамики на стенке канала температура на границе металл - керамика будет постоянной. Термограмма, соответствующая стационарному состоянию, служит эталоном при дальнейшей математической обработке.Due to the reversal of the heat flux, the temperature of the chamber will be lower than the temperature of the blade, which excludes background noise. The temperature field of the blade is recorded by the thermal imager through the side walls of the profiled body and thermograms of the thermal field are recorded until the stationary temperature state is established (T ₁ ). The stationary temperature state consists in the fact that the temperature distribution on the channel walls becomes constant. In this case, in the presence of ceramic remains on the channel wall, the temperature at the metal - ceramic interface will be constant. A thermogram corresponding to a stationary state serves as a standard for further mathematical processing.

Затем в каналы системы охлаждения лопатки подают охлаждающий газ (Т_хол=-40°С), получаемый при испарении жидкого азота до установления стационарного температурного состояния (Т₂). Температуры Т_гор и T_хол подобраны так, чтобы выполнялось условие |Т_гор-Т_ср|=|Т_хол-Т_ср|.Then in the channels of the cooling system of the blades serves cooling gas (T _hol = -40 ° C), obtained by evaporation of liquid nitrogen to establish a stationary temperature state (T ₂ ). The temperatures T _mountains and T _{cold are} selected so that the condition | T _mountains -T _cf | = | T _cold -T _cf |

При достижении температурного состояния Т₂ распределение температуры на стенках канала в отсутствии остатков керамики будет иметь температуру, равную температуре продуваемого газа. А в зонах с остатком керамики на границе металл - керамика температура будет выше, чем температура продуваемого газа в данном сечении. Это связано с тем, что теплоемкость керамики выше теплоемкости жаропрочного сплава в 2 раза и теплопроводность керамики ниже на 3 порядка, чем теплопроводность жаропрочного сплава. При дальнейшем продуве устанавливается стационарный режим теплопроводности, и отличие температуры на границе металл - керамика становится ничтожно малым.Upon reaching the temperature state T _2, the temperature distribution on the channel walls in the absence of ceramic residues will have a temperature equal to the temperature of the purged gas. And in areas with the remainder of ceramics at the metal-ceramic boundary, the temperature will be higher than the temperature of the purged gas in this section. This is due to the fact that the heat capacity of ceramics is 2 times higher than the heat capacity of a heat-resistant alloy and the thermal conductivity of ceramics is 3 orders of magnitude lower than the heat conductivity of a heat-resistant alloy. With further blowing, a stationary heat conduction mode is established, and the temperature difference at the metal-ceramic interface becomes negligible.

Рассматриваемые процессы теплопереноса в лопатках быстротечны, поэтому для фиксирования температурного поля в момент времени t2 производили запись термограмм 2 блоками не мене 25 кадров в секунду с момента подачи холодного воздуха до установления стационарного процесса теплопроводности.The heat transfer processes under consideration in the blades are fleeting, therefore, to record the temperature field at time t2, we recorded the thermograms in 2 blocks of at least 25 frames per second from the moment of supply of cold air to the establishment of a stationary process of heat conduction.

Далее на базе термограммы Т₁ и блока термограмм, соответствующих моменту установления стационарного состояния Т₂, производится математическая обработка по алгоритму |T₁-Т_ср|-|Т₂-Т_ср| для каждой точки термограммы и создаются математические карты поля температур поверхности лопатки. Из полученных математических карт выбирают карты, отражающие инверсные состояния и по ним судят о наличии дефекта. При отсутствии дефектов в системе охлаждения для всех точек карты в инверсных состояниях выполнялось условие |Т₁-Т_ср|-|Т₂-Т_ср|=0. При наличии остатков керамики на математической карте в зоне дефекта |T₁-Т_cр|-|Т₂-Т_cр|≠0. В результате контроля лопатки на карте инверсных состояний были выявлены десять пиков температуры в интервале 5-15°С, соответствующие десяти зонам с остатками керамики различного объема.Then, based on the thermogram T ₁ and the block of thermograms corresponding to the moment of establishment of the stationary state T ₂ , mathematical processing is performed according to the algorithm | T ₁ -T _cf | - | T ₂ -T _cf | For each point of the thermogram, mathematical maps of the temperature field of the blade surface are created. From the obtained mathematical maps, maps reflecting inverse states are selected and judged by the presence of a defect. In the absence of defects in the cooling system for all points of the card in inverted states, the condition | T ₁ -T _cf | - | T ₂ -T _cf | = 0 was fulfilled. In the presence of ceramics residues on the mathematical map in the defect zone | T ₁ -T _cp | - | T ₂ -T _cp |. 0. As a result of the control of the blade on the map of inverted states, ten temperature peaks in the range of 5-15 ° C were revealed, corresponding to ten zones with ceramics residues of various volumes.

Эту же лопатку и лопатку, принятую за эталон, проконтролировали по способу прототипа. Среду нагревают до заданной температуры (t=80°C), а наружную поверхность лопатки в зонах измерения охлаждают до температуры (t=20°C) и сопоставление производят при достижении стационарного температурного состояния последних. В результате контроля лопатки выявили один дефект из десяти, который полностью перекрывал канал охлаждения.The same blade and the blade, taken as the standard, were controlled by the prototype method. The medium is heated to a predetermined temperature (t = 80 ° C), and the outer surface of the blade in the measurement zones is cooled to a temperature (t = 20 ° C) and the comparison is made when the latter reaches a stationary temperature state. As a result of the control, the blades revealed one out of ten defects that completely blocked the cooling channel.

Порядок проведения исследований по контролю лопатки в предложенном способе существенно отличается от прототипа. В предложенном способе контроля каналов охлаждения лопаток турбомашины за эталон принимается термограмма контролируемой лопатки в отличие от прототипа, где о дефектах судят по сопоставлению термограммы контролируемой лопатки с эталоном, который является неким усреднением. Предложенный способ обеспечивает контроль интенсивности охлаждения лопаток турбомашины, выявление дефектов типа “засор”, в том числе остатков керамики в каналах охлаждения, позволяет производить их отбраковку, а также может быть использован при проведении различных исследований систем охлаждения.The procedure for conducting research to control the blades in the proposed method is significantly different from the prototype. In the proposed method for monitoring the cooling channels of the blades of a turbomachine, the thermogram of the controlled blade is taken as the standard, in contrast to the prototype, where defects are judged by comparing the thermogram of the controlled blade with the standard, which is a kind of averaging. The proposed method provides control of the cooling intensity of the blades of the turbomachine, the identification of defects of the blockage type, including ceramic residues in the cooling channels, allows them to be rejected, and can also be used in various studies of cooling systems.

Таким образом, предложенный способ позволил повысить информативность, чувствительность и достоверность контроля, что дало возможность выявления остатков керамики, не перекрывающих полностью каналы охлаждения, а также может производить их отбраковку и может быть использован при проведении различных исследований систем охлаждения.Thus, the proposed method allowed to increase the information content, sensitivity and reliability of the control, which made it possible to identify ceramic residues that do not completely cover the cooling channels, and can also reject them and can be used in various studies of cooling systems.

Claims (2)

1. Способ контроля каналов охлаждения лопаток турбомашины путем продувки каналов системы охлаждения лопатки горячим воздухом и обдува ее наружной поверхности охлаждающим воздухом, измерения поля температур поверхности лопатки при достижении стационарного температурного состояния и обработка полученных термограмм, отличающийся тем, что лопатку помещают в профилированный корпус, имитирующий проточную часть турбомашины, выполненный из инфракрасно-проводящего материала, обдув наружной поверхности лопатки осуществляют воздухом комнатной температуры с одновременной подачей горячего воздуха в каналы системы охлаждения лопатки и измерением поля температур поверхности лопатки с записью термограмм теплового поля (Т₁) до момента установления стационарного температурного состояния, затем в каналы системы охлаждения лопатки подают охлаждающий газ до момента установления стационарного температурного состояния (T₂), при этом должно соблюдаться следующее условие: |Т_гор-Т_ср|=|Т_хол-Т_ср|, где Т_гор - температура горячего продуваемого воздуха (°С), Т_ср - температура обдувающего воздуха комнатной температуры (°С), Т_хол - температура продуваемого газа (°С), а обработку термограмм осуществляют путем создания математических карт поля температур поверхности лопатки по следующему алгоритму: |T₁-Т_ср| - |Т₂-Т_ср| для каждой точки термограмм, выбирают карты, отражающие инверсные состояния, а о наличии дефектов судят по максимальному скачку температуры.1. The method of monitoring the cooling channels of the blades of a turbomachine by blowing the channels of the cooling system of the blade with hot air and blowing its outer surface with cooling air, measuring the temperature field of the surface of the blade when a stationary temperature state is reached and processing the obtained thermograms, characterized in that the blade is placed in a profiled body that simulates the flow part of the turbomachine, made of infrared-conductive material, blowing the outer surface of the scapula is carried out with room air hydrochloric temperature while supplying hot air into the cooling channels of the blade and measuring the temperature field of the blade surface with the recording thermograms thermal field (T ₁₎ until the establishment of steady temperature state, and then into the channels of the blade cooling system is supplied cooling gas until the establishment of steady temperature state ( T ₂ ), while the following condition must be met: | T _mountains -T _cf | = | T _cold -T _cf |, where T _mountains - temperature of the hot purged air (° C), T _cf - temperature blowing its air room temperature (° C), _cold T - temperature purge gas (° C) and thermograms treatment is carried out by creating a mathematical mapping blade surface temperature field of the following algorithm: | T ₁ -T _cp | - | T ₂ -T _cf | for each point of the thermograms, maps reflecting inverse states are selected, and the presence of defects is judged by the maximum temperature jump. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подают газ в каналы системы охлаждения лопатки, выбранный из группы аргон, фреон, азот.2. The method according to claim 1, characterized in that the gas is supplied to the channels of the blade cooling system selected from the group of argon, freon, nitrogen.