КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СО СТРУКТУРОЙ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
STRUCTURAL ELEMENT TO REVEAL MECHANICAL DAMAGES

Изобретение относится к конструктивному элементу из электроизолирующего материала, содержащему структуру для обнаружения механических повреждений конструктивного элемента, при этом структура обнаружения имеет соединенный неподвижно с конструктивным элементом электрический проводник и относительно своей геометрии так согласована с геометрией конструктивного элемента, что механическое повреждение конструктивного элемента связано с изменением электрических свойств электрического проводника.
Конструктивный элемент указанного в начале вида описан, например, в DE 102 23 985 А1. Конструктивный элемент является пластиной теплозащитного экрана, которая предпочтительно выполнена из керамики. За счет постоянной термической нагрузки пластины теплозащитного экрана, которая может быть установлена, например, в камере сгорания газовой турбины, существует опасность ее механического повреждения за счет процессов старения. Механическое повреждение состоит обычно в образовании трещин в хрупком материале, которые начинают расти в течение последующей работы. При достижении роста трещин определенной стадии надежность пластины теплозащитного экрана ограничивается не допустимым образом, поскольку она может, например, освободится из своего крепления. Для определения этого момента времени предусматривается структура обнаружения механического повреждения конструктивного элемента. Согласование геометрии этой структуры обнаружения с геометрией конструктивного элемента приводит к тому, что выполненная с помощью электрического проводника структура обнаружения при образовании трещин повреждается так, что изменяются ее электрические свойства, в частности ее электрическая проводимость. Это изменение можно использовать в качестве характеристики недопустимо далеко зашедшего образования трещин, при этом оценка электрических сигналов структуры обнаружения обеспечивает возможность принятия решения о необходимости замены пластины теплозащитного экрана.
Неподвижное соединение между электрическим проводником и конструктивным элементом может осуществляться либо на поверхности конструктивного элемента, например, посредством нанесения керамического проводника на поверхность, либо в проходящих по поверхности канавках, с последующим совместным с конструктивным элементом обжигом. Другая возможность заключается в предусмотрении электрического проводника внутри конструктивного элемента. Например, электрически проводящий материал может быть расположен в виде дисков внутри пластины теплозащитного экрана посредством введения петли в сырое тело при его изготовлении.
Из ЕР 300 380 А1 известно снабжение частиц из слюды электрически проводящим слоем из серебра и их применение в органополисилоксановом соединении. За счет этого возникает затвердеваемый под воздействием тепла композиционный материал, который после затвердевания приобретает электропроводные свойства. Частицы слюды представляют собой на основе кристаллической структуры слюды частицы, которые имеют сильно анизотропные механические свойства.
Задача изобретения состоит в создании конструктивного элемента, содержащего электрический проводник в качестве структуры для обнаружения повреждений, в котором электрический проводник сравнительно чувствительно реагирует на повреждения.
Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью указанного в начале конструктивного элемента, в котором электрический проводник образован соприкасающимися друг с другом частицами с металлической поверхностью, за счет более подробно описанных ниже мер, состоящих в том, что применяются частицы с металлической оболочкой и согласованным со свойствами конструктивного элемента сердечником.
Таким образом, электрический проводник образуется за счет того, что частицы с металлической поверхностью соприкасаются друг с другом, так что между частицами с металлической поверхностью может происходить обмен электронами. При этом на поверхностях соприкосновения частиц возникают особенно чувствительные зоны электрического проводника, которые при повреждении конструктивного элемента (в частности, росте трещин, которые разрезают электрический проводник) приводят к значительному изменению электрических свойств электрического проводника. В частности, относительно сильно изменяется сопротивление электрического проводника.
При изготовлении электрического проводника из частиц с металлической поверхностью может происходить оплавление образующего металлическую поверхность металла на основании процесса изготовления, так что упрочняется соединение частиц, которые образуют электрический проводник. Однако в местах перехода между тесно соединенными частицами остается высокой чувствительность образованного электрического проводника относительно механических нагрузок. Возможно также, что при изготовлении конструктивного элемента частицы не оплавляются. Это имеет место, когда температура плавления применяемого металла лежит выше применяемых при изготовлении конструктивного элемента температур. При пластмассовых конструктивных элементах это относится к большинству металлов. При керамических конструктивных элементах, которые должны подвергаться при изготовлении обжигу, можно применять подходящие плавящиеся при высоких температурах металлы, такие как, например, вольфрам.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что частицы состоят из электрически изолирующего сердечника с металлической оболочкой. За счет этого достигается, что даже при оплавлении металла возникает структура образуемого электрического проводника, которая выполнена не сплошной, а имеет наряду с образованными между частицами порами также частичные зоны, которые заполнены электрически изолирующим материалом сердечника частиц. Возникающая за счет этого губкообразная структура проводника предпочтительно имеет также особую чувствительность к механическим повреждениям.
Кроме того, согласно изобретению предусмотрено, что сердечник состоит из материала, который относительно своих механических характеристик, в частности характеристик теплового расширения, согласован с характеристиками материала конструктивного элемента. В частности, при термически нагружаемых конструктивных элементах, таких как пластины теплозащитного экрана, обеспечивается за счет этого то преимущество, что проложенные внутри конструктивного элемента электрические проводники имеют характеристики теплового расширения, согласованные с характеристиками теплового расширения окружающего их конструктивного элемента. За счет этого предотвращаются напряжения, которые могут возникать за счет различного теплового расширения двух различных материалов и которые могут приводить к чрезмерной механической нагрузке конструктивного элемента. Обычно, металлические материалы имеют, например, более высокие коэффициенты теплового расширения, чем керамические конструктивные части, что затрудняет применение металлических проводников в пластинах теплозащитного экрана из керамики. А именно, наряду с нагрузкой конструктивного элемента, за счет различного теплового расширения конструктивного элемента и электрического проводника происходит искажение получаемого с помощью электрического проводника результата измерения, когда он деформируется за счет возникающих напряжений. Таким образом, за счет согласования характеристик теплового расширения электрического проводника и конструктивного элемента можно также увеличить чувствительность способа измерения за счет уменьшения возможности возникновения погрешностей измерения. Особенно предпочтительным является выбор материала сердечника, идентичного с материалом конструктивного элемента, поскольку за счет этого обеспечивается возможность максимального согласования механических свойств электрического проводника и окружающего его конструктивного элемента.
Естественно, что указанное выше распространяется также на электрические проводники, которые расположены на поверхности конструктивного элемента. В этом случае различные коэффициенты теплового расширения могут приводить даже к отслаиванию электрического проводника с поверхности, за счет чего полностью разрушается структура обнаружения механических повреждений. За счет этого может возникать, например, неправильная информация, которую можно интерпретировать так, что произошло повреждение конструктивного элемента, в частности степень роста трещин достигла такого уровня, который требует замены конструктивного элемента.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, что частицы с металлической поверхностью присутствуют в электрическом проводнике в смеси с полностью состоящими из электрически изолирующего материала, в частности, состоящими из материала конструктивного элемента, частицами. За счет этого предпочтительно достигается, что дополнительно снижается степень заполнения металлом электрического проводника. В этом случае наряду с порами между частицами, соответственно, возможно не металлическими сердечниками частиц, в электрическом проводнике лежат также частичные зоны, которые образованы состоящими полностью из электрически изолирующего материала частицами. За счет уменьшения степени заполнения металлическим материалом электрического проводника он предпочтительно становится еще более чувствительным к механическим повреждениям на основании указанного выше принципа действия. За счет этого дополнительно повышается чувствительность структуры обнаружения.
Как указывалось выше, применение структуры обнаружения является особенно предпочтительным, когда подлежащее обнаружению механическое повреждение является образованием трещин в конструктивном элементе, при этом проводник в этом случае проходит так, что он разрезается за счет ожидаемого роста трещин. За счет этого предпочтительно обеспечивается, что рост трещин, когда он достигает поверхности проводника, приводит к началу его расщепления предпочтительно под прямым углом к его прохождению, за счет чего обеспечивается максимально возможное изменение электрических свойств проводника относительно увеличивающегося роста трещин. За счет этого обеспечивается возможность изменения электрических свойств, как только трещина доходит до проводника, который служит в качестве структуры обнаружения, и затем распространяется дальше.
Особенно предпочтительно, когда проводник проходит параллельно поверхности конструктивного элемента. При этом учитывается то обстоятельство, что трещины обычно распространяются в конструктивных элементах, начиная с поверхности внутрь конструктивного элемента, и тем самым приводят к увеличивающемуся ослаблению поперечного сечения соответствующего конструктивного элемента. Рост трещин заканчивается механическим разрушением конструктивного элемента, при этом структура обнаружения должна предотвращать разрушение конструктивного элемента. При прокладке проводников параллельно поверхности конструктивного элемента следует также учитывать то, что разделение проводника происходит на основании роста трещин, прежде чем трещина приводит к разрушению конструктивного элемента.
Особенно предпочтительно, когда предусмотрено несколько независимых друг от друга проводников, которые проходят на разных расстояниях параллельно поверхности. За счет этого обеспечивается не только возможность своевременной замены конструктивного элемента перед его разрушением, но также возможность получения на ранней стадии распространения трещин информации о состоянии конструктивного элемента. При наличии независимых друг от друга проводников, продолжающийся рост трещин с увеличением расстояния фронта распространения трещин от поверхности достигает последовательно смежные независимые проводники, за счет чего обеспечивается возможность оценки действительного прохождения фронта распространения трещин.
Электрические проводники можно оценивать относительно подлежащего проверке свойства, например, электрического сопротивления, с помощью электрического контактирования. В этом случае через электрический проводник можно пропускать, например, постоянный или переменный ток, что обеспечивает возможность определения сопротивления. Другая возможность определения свойств электрического проводника является беспроводной. При этом создается электромагнитное возбуждение в диапазоне высоких частот, которое приводит к отклику соответствующего проводника. Его можно измерять, например, без соприкосновения с помощью антенны. При таком выполнении структуры обнаружения предпочтительно, когда прохождение независимых проводников выполнено так, что они при высокочастотном электромагнитном возбуждении создают отличные друг от друга спектральные сигнатуры. Под спектральной сигнатурой проводника в связи с изобретением понимается математическая функция, при которой отклик электрического проводника относительно рассматриваемого электрического свойства определяется в зависимости от частотного спектра возбуждения. Для обеспечения возможности создания в этом диапазоне возбуждения различных спектральных сигнатур необходимо варьировать электрические свойства различных независимых друг от друга проводников. Этого можно достигать, например, за счет прохождения проводников в конструктивном элементе, за счет толщины проводника и за счет выбора материала проводника, при этом варьированию электрических свойств способствует расположение частиц указанным выше образом. Когда независимые друг от друга проводники можно различать относительно их спектральных сигнатур, становится предпочтительно возможным определять изменения электрических свойств определенного проводника, поскольку изменение его спектральной сигнатуры можно однозначно соотносить с ним. С другой стороны, механическое повреждение проводника, в частности его разрыв за счет образования трещин в конструктивном элементе, не должен изменять спектральную сигнатуру этого проводника настолько, что измененную сигнатуру проводника нельзя больше отличать от сигнатур других проводников. В этом случае терялась бы информация о месте повреждения.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрено, что проводник имеет прохождение в виде петли. Он может проходить предпочтительно вдоль края плоского конструктивного элемента, такого как, например, пластина теплозащитного экрана. Кроме того, с помощью проходящих в виде петли проводников можно особенно хорошо создавать характерные сигнатуры для высокочастотного возбуждения, которые изменяются просто обнаруживаемым образом за счет прерывания петли в случае определенного роста трещин.
Ниже приводится описание других подробностей изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Одинаковые или соответствующие друг другу элементы обозначены на фигурах одинаковыми позициями, и их повторное описание приводится лишь при пояснении отличий между отдельными фигурами. При этом на чертежах изображено:
фиг. 1 - поперечный разрез пластины теплозащитного экрана в качестве примера выполнения конструктивного элемента;
фиг. 2 - пластина теплозащитного экрана в качестве другого примера выполнения конструктивного элемента, на виде сверху;
фиг. 3 и 4 - электрический проводник, согласно уровню техники;
фиг. 5 и 6 - различные примеры выполнения электрического проводника, применяемого в конструктивном элементе, согласно изобретению, в частичном разрезе.
Конструктивный элемент 11, согласно фиг. 1, выполнен в виде пластины теплозащитного экрана, например, для камеры сгорания газовой турбины. Этот конструктивный элемент имеет обращенную к камере сгорания переднюю сторону 12, которая подвергается максимальной термической нагрузке за счет процесса сгорания, и заднюю сторону 13, с помощью которой его можно крепить не изображенным образом на стенке камеры сгорания. Конструктивный элемент 11 изготовлен из керамики. Внутри конструктивного элемента проложены электрические проводники 14а, которые могут иметь не изображенное на фиг. 1 петлеобразное прохождение. Эти проводники 14а имеют электрическое соединение 15 с задней стороной 13 конструктивного элемента 11, которое можно электрически контактировать через контактные поверхности 16. В канавке 17 расположен другой проводник 14b, который образует на задней стороне 13 также не изображенную петлю. Кроме того, на образованной задней стороной 13 поверхности конструктивного элемента образован возвышенный проводник 14с, который также проходит в виде петли. Проводники 14b и 14с также имеют контактные поверхности 16 для их контактирования. Поскольку контактные поверхности расположены на задней стороне 13 конструктивного элемента 11 и термическая нагрузка контактных поверхностей удерживается в заданных пределах, то возможно контактирование установленной пластины теплозащитного экрана также во время работы.
Кроме того, показанный на фиг. 1 разрез проходит точно через трещину 18, которая распространяется в конструктивном элементе 11 своим фронтом 19 в направлении стрелки 20. При этом самый наружный из проводников 14а уже прерван, так что при электрическом контактировании этого проводника больше не может быть замкнут контур тока. Поскольку проводники 14а, 14b и 14с все проходят параллельно поверхности, образованной из передней стороны 12 конструктивного элемента, то за счет выхода из строя первого проводника 14а можно делать опосредованное заключение о продвижении трещины. За счет дальнейшего роста трещин последовательно прерываются также другие проводники 14а, проводник 14b и, наконец, проводник 14с.
На фиг. 2а показано возможное петлеобразное прохождение проводников 14а, 14b с постоянным расстоянием до края пластинообразного конструктивного элемента 11. Кроме того, можно видеть, как продолжающийся рост трещин 18 последовательно прерывает сначала наружную петлю 14а, а затем внутреннюю петлю 14b. В отличие от фиг. 1, проводники 14а, 14b на фиг. 2 выполнены в виде индукционных петель, т.е. они не имеют контактных поверхностей 16 и выполнены замкнутыми.
На фиг. 3 - 6 показано, что электрические проводники 14 могут состоять из металлических частиц 21 или из частиц 22, состоящих из не металлического сердечника 23 и металлической оболочки 24. Дополнительно к этому, в проводниках 14 могут быть предусмотрены другие частицы 25 из электрически изолирующего материала. Конструктивный элемент 11, который изображен лишь в виде граничащей с электрическим проводником 14 частичной зоны, неподвижно соединен с проводником 14, при этом показывающий соответствующий переход между конструктивным элементом 11 и проводником 14 участок, согласно фиг. 3 и 6, представляет все возможные расположения проводников 14а, 14b или 14с на конструктивном элементе.
Ниже более подробно поясняются различные структуры состоящих из частиц 21, 22, 23 проводников, при этом для специалистов в данной области техники понятны комбинации из показанных на фигурах вариантов выполнения. Применяемые частицы 21, 22, 23 могут быть выполнены в виде микрочастиц (т.е. с размерами около 0,1 - 500 мкм) или в виде наночастиц (т.е. с размерами максимально 100 нм).
Электрический проводник 14, согласно фиг. 3, образован из металлических частиц 21. Это означает, что частицы 21 состоят из сплошного металла. Смежные частицы 21 соприкасаются друг с другом в соответствующих местах 26 соприкосновения, при этом полые пространства 27 между частицами уменьшают эффективное поперечное сечение электрического проводника 14 и тем самым повышают чувствительность относительно повреждения проводника 14, например, за счет распространяющегося роста трещин в конструктивном элементе 11.
Конструктивный элемент 11 состоит, например, из пластмассы, при этом частицы 21 залиты в него. В связанном с этим процессе изготовления возникают температуры, которые недостаточны для оплавления частиц 21. Поэтому места соприкосновения смежных частиц сохраняются без образования соединения с замыканием материала между смежными частицами 21.
Конструктивный элемент, согласно фиг. 4, состоит из керамики и может образовывать, например, пластину теплозащитного экрана. В качестве электрического проводника 14 снова применяются металлические частицы 21, при этом они на основании связанной с процессом изготовления тепловой обработки, по меньшей мере, на своей поверхности оплавляются и поэтому образуют соединение 28 с замыканием материала друг с другом. Однако при этом могут оставаться полые пространства 27 между сплавленными частицами 21.
Кроме того, наряду с металлическими частицами 21 применяются другие частицы 25 из того же керамического материала, что и конструктивный элемент 11, для образования структуры электрического проводника 14. Они могут быть, например, включены в металлические частицы 21 или же соединены на границе с конструктивным элементом 11 за счет проведенной термической обработки с замыканием материала с материалом конструктивного элемента 11. Обозначены также края керамических частиц 29, которые образуют структуру конструктивного элемента 11.
Кроме того, на фиг. 4 показано, что другие частицы 25 могут быть введены в материал проводника 14 лишь с такой концентрацией дополнительно к металлическим частицам 21, чтобы металлические частицы 21 могли надежно образовывать взаимосвязанную структуру. Лишь таким образом могут создаваться обозначенные штрихпунктирными линиями электрически проводящие пути 30, которые обеспечивают электрическую проводимость проводника 14.
В показанном на фиг. 5 электрическом проводнике 14 для обеспечения проводимости электрического тока применяются частицы 22, которые состоят каждая из металлической оболочки 24 и электрически изолирующего сердечника 23. Кроме того, могут быть предусмотрены другие частицы 25, которые состоят из материала конструктивного элемента 11. Сердечники 23 частиц 22 могут также состоять из этого материала. В отличие от фиг. 4, металлический материал оболочки 24 является достаточно стойким относительно температуры, так что он не оплавляется за счет температуры, применяемой для образования конструктивного элемента 11. Поэтому частицы 22 присутствуют, как указывалось выше применительно к фиг. 3, в не оплавленном состоянии, так что имеются лишь места 26 соприкосновения для создания проводящих путей 30.
Применение материала конструктивного элемента 11 для других частиц 25 и сердечников 23 имеет то преимущество, что проводник 14 при термической нагрузке конструктивного элемента 11 имеет характеристики теплового расширения, сильно согласованные с характеристиками конструктивного элемента 11. Поэтому за счет возникающих при нагревании конструктивного элемента 11 тепловых расширений вызываются небольшие напряжения в электрическом проводнике 14, так что изменение электрических свойств проводника 14 возникает на основе механической нагрузки лишь тогда, когда конструктивный элемент 11 повреждается, например, за счет образования трещины. Одна термическая нагрузка изменяет электрические свойства проводника 14 лишь реверсивно и в зависимости от температуры, и поэтому это можно прогнозировать посредством измерения температуры и учитывать.
Электрический проводник 14 на фиг. 6 состоит также из частицы 22 с сердечником 23 и оболочкой 23. При изготовлении конструктивного элемента 11 оболочки 24 частиц 22 оплавляются, так что при одновременном образовании полых пространств 27 происходит соединение 28 с замыканием материала металлического материала с образованием электрического проводника. В этом случае эффективное поперечное сечение проводника 14 уменьшается главным образом за счет сердечников 23, но также и за счет полых пространств 27.
Сердечники 23 выполнены не из того же материала, что и конструктивный элемент 11. Однако материал сердечников 23 согласован относительно характеристик теплового расширения с конструктивным элементом 11. За счет этого достигается поясненная применительно к фиг. 5 нечувствительность к температуре электрического проводника относительно нежелательного изменения его электрических свойств на основании чрезмерной механической нагрузки.