УЗЕЛ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И КОНТРОЛЬНОГО УСТРОЙСТВА КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, СПОСОБ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛА И ПРИМЕНЕНИЕ УЗЛА
UNIT OF STRUCTURAL ELEMENT AND CONTROL DEVICE OF STRUCTURAL ELEMENT, METHOD FOR MANUFACTURING OF UNIT AND APPLICATION OF UNIT

Изобретение относится к узлу конструктивного элемента и, по меньшей мере, одного контрольного устройства для определения ухудшения характеристик конструктивного элемента, причем контрольное устройство содержит, по меньшей мере, один колебательный контур, при этом конструктивный элемент и колебательный контур связаны друг с другом таким образом, что ухудшение характеристик конструктивного элемента обуславливает ухудшение характеристик колебательного контура и, тем самым, изменение обнаруживаемого резонансного сигнала колебательного контура. Кроме того, предложены способ изготовления узла и способ проверки работоспособности конструктивного элемента с применением узла.
Узел вышеуказанного типа известен, например, из DE 102 23 985 Al. Конструктивный элемент представляет собой керамический тепловой экран, который используется в камере сгорания газовой турбины. Камера сгорания газовой турбины имеет внутреннее пространство и корпус, окружающий внутреннее пространство. Во внутреннем пространстве камеры сгорания сгорает ископаемое топливо. При сгорании достигается температура до 1500°С. При этом могут возникать газы, вызывающие коррозию, которые воздействуют на корпус камеры сгорания. Для защиты корпуса от высоких температур и вызывающих коррозию газов камера сгорания облицована множеством керамических тепловых экранов.
Тепловой экран является конструктивным элементом из конструктивного материала, имеющего очень хорошую температурную и коррозионную стойкость. Конструктивный материал является керамическим материалом, например, таким как муллит. Ввиду пористой структуры с множеством микротрещин, муллит проявляет очень хорошие характеристики стойкости к тепловому удару. Очень сильные колебания температур, которые возникают, например, при прерывании процесса сгорания в камере сгорания газовой турбины, сглаживаются, не приводя к разрушению теплового экрана. Во всяком случае, при механической перегрузке теплового экрана может произойти ухудшение его характеристик. В тепловом экране может возникнуть трещина (макротрещина). Подобная трещина образуется, в частности, на краю теплового экрана. В процессе работы может произойти расширение трещины в направлении к середине теплового экрана. Трещина до определенной длины не оказывает отрицательного влияния на работоспособность теплового экрана и поэтому является допустимой. Если трещина превысит определенную длину, то работоспособность теплового экрана больше не может гарантироваться. Потребуется замена теплового экрана для того, чтобы избежать поломки теплового экрана, обусловленной трещиной, в процессе работы газовой турбины. Таким образом, обязательно требуется распознавать наличие трещины и определять длину трещины.
Для того чтобы обнаружить трещину, которая увеличилась на допустимую длину в направлении середины теплового экрана, контрольное устройство в известном узле содержит проводящую структуру, которая выполнена в виде колебательного контура. Колебательный контур функционирует как приемник и передатчик электромагнитного высокочастотного сигнала. Если колебательный контур работоспособен, то высокочастотный сигнал с резонансной частотой контура может вводиться и сниматься. Если, напротив, колебательный контур имеет дефект, то никакой высокочастотный сигнал с резонансной частотой контура не может вводиться и сниматься.
Колебательный контур и тепловой экран размещены таким образом один на другом, что увеличение имеющейся трещины от края к середине теплового экрана приводит к ухудшению характеристик колебательного контура. Вследствие этого не может быть получен резонансный сигнал. Отсутствие резонансного сигнала интерпретируется как прерывание колебательного контура. Осуществляется замена теплового экрана.
Однако отсутствие резонансного сигнала колебательного контура может иметь и другую причину, отличную от ухудшения характеристик колебательного контура. Возможно, что применяемая для обнаружения резонансного сигнала антенна контрольного устройства является дефектной. Также антенна и колебательный контур могут быть расположены неблагоприятным образом по отношению друг к другу, так что детектируется только слабый сигнал, или вообще не обнаруживается никакого сигнала.
Поэтому задачей предложенного изобретения является обеспечение возможности более надежной, по сравнению с предшествующим уровнем техники, оценки работоспособности конструктивного элемента.
Для решения этой задачи предложен узел конструктивного элемента и, по меньшей мере, одного контрольного устройства для определения ухудшения характеристик конструктивного элемента, причем контрольное устройство содержит, по меньшей мере, один электрический колебательный контур, при этом конструктивный элемент и колебательный контур связаны друг с другом таким образом, что ухудшение характеристик конструктивного элемента обуславливает ухудшение характеристик колебательного контура и, тем самым, изменение обнаруживаемого резонансного сигнала колебательного контура. Этот узел отличается тем, что контрольное устройство имеет, по меньшей мере, один дополнительный колебательный контур с дополнительным обнаруживаемым резонансным сигналом, причем колебательный контур и дополнительный колебательный контур электрически связаны в общий колебательный контур с обнаруживаемым общим резонансным сигналом, отличающимся от упомянутого резонансного сигнала и дополнительного резонансного сигнала.
Для решения указанной задачи также предложен способ изготовления устройства со следующими этапами способа: a) размещение одного на другом конструктивного элемента и проводящего материала и/или первой ступеньки проводящего материала и b) жесткое соединение конструктивного элемента и проводящего материала и/или первой ступеньки проводящего материала таким образом, что на конструктивном элементе возникает структура проводников, которая образует общий колебательный контур.
Кроме того, для решения указанной задачи также предложен способ проверки работоспособности конструктивного элемента при применении указанного узла со следующими этапами способа: а′) определение измерительного сигнала контрольного устройства и b′) установление соответствия между измерительным сигналом и резонансным сигналом колебательного контура и/или дополнительным резонансным сигналом дополнительного колебательного контура, и/или общим резонансным сигналом общего колебательного контура, при этом на основе указанного установления соответствия принимают решение о работоспособности конструктивного элемента.
Колебательный контур, дополнительный колебательный контур и общий колебательный контур составляются любыми структурами проводников из резисторов, емкостей и индуктивностей. Величина, форма и проводящий материал проводящей структуры и жесткое соединение проводящей структуры и конструктивного элемента друг с другом выбираются таким образом, что ухудшение характеристик конструктивного элемента проявляется в ухудшении характеристик проводящей структуры и, тем самым, в ухудшении характеристик колебательного контура. Ухудшение характеристик колебательного контура проводящей структуры приводит к изменению детектируемого измерительного сигнала проводящей структуры. Это изменение определяется путем сравнения действительного значения и (ожидаемого) номинального значения измерительного сигнала проводящей структуры. На основе сравнения делается вывод о работоспособности конструктивного элемента. В противоположность предшествующему уровню техники, в заявленном изобретении обеспечивается то, что в каждом случае вырабатывается измерительный сигнал, если контрольное устройство работоспособно. Если бы не обнаруживался никакой измерительный сигнал для оценки, то это однозначным образом указывало бы на то, что контрольное устройство имеет дефект. Например, не работает антенна контрольного устройства. Также можно предположить, что нарушен общий колебательный контур, образованный из колебательных контуров.
Существенным для изобретения является связь колебательного контура и дополнительного колебательного контура для формирования общего колебательного контура. В особенно предпочтительном варианте осуществления колебательный контур и дополнительный колебательный контур посредством параллельного включения связаны в общий колебательный контур. Параллельное включение реализуется, например, за счет параллельного включения емкостей обоих колебательных контуров.
В другом варианте выполнения контрольное устройство имеет, по меньшей мере, одно устройство для ввода сигнала возбуждения в колебательный контур, и/или в дополнительный колебательный контур, и/или в общий колебательный контур. Кроме того, контрольное устройство имеет, по меньшей мере, один детектор для обнаружения резонансного сигнала, и/или дополнительного резонансного сигнала, и/или общего резонансного сигнала. Предпочтительным образом, детектор для обнаружения резонансного сигнала и/или устройство для ввода сигналов возбуждения содержат, по меньшей мере, одну антенну. Тем самым, имеется возможность электрическую энергию в форме электромагнитных волн беспроводным способом вводить в колебательный контур и выводить из колебательного контура.
Определение ухудшения характеристик конструктивного элемента осуществляется посредством резонансного измерения. Колебательный контур, дополнительный колебательный контур и общий колебательный контур действуют, соответственно, как резонаторы для высокочастотного сигнала. С помощью антенны контрольного устройства высокочастотный сигнал может вводиться в колебательный(ые) контур(ы). Высокочастотный сигнал вновь излучается колебательным(и) контуром(ами) и может обнаруживаться посредством той же или другой антенны. Повреждение одного из колебательных контуров приводит к изменению резонансного поведения в отношении частоты, и/или амплитуды, и/или фазы высокочастотного сигнала.
Путем измерения резонанса осуществляется определение ухудшения характеристик конструктивного элемента бесконтактным способом. Тем самым, может определяться, в частности, ухудшение характеристик недоступных или трудно доступных участков поверхности конструктивного элемента. Например, на задней стороне теплового экрана камеры сгорания, которая в смонтированном состоянии не доступна, размещается общий колебательный контур. В состоянии останова газовой турбины осуществляется обнаружение трещины путем простого приложения антенны к тепловому экрану во внутреннем пространстве камеры сгорания. В течение короткого времени таким способом можно проверить большое количество тепловых экранов на их работоспособность. Обнаружение ухудшения характеристик при этом не ограничивается толщиной теплового экрана.
Для проверки работоспособности конструктивного элемента колебательный контур наносится на критичные участки конструктивного элемента. Появление ухудшения характеристик конструктивного элемента на критичном участке приводит к тому, что работоспособность конструктивного элемента была бы ограничена или даже не гарантировалась бы больше. Конструктивный элемент представляет собой, например, вышеописанный тепловой экран. Работоспособность теплового экрана гарантируется только тогда, когда трещина, увеличивающаяся от края в направлении середины теплового экрана, не превышает определенную критическую длину. Критичный участок теплового экрана в этом примере устанавливался бы как определенное расстояние от края теплового экрана в направлении к середине теплового экрана. Колебательный контур размещается на поверхности теплового экрана на этом определенном критическом расстоянии, например, в форме кольца, в середине теплового экрана.
Под ухудшением характеристик понимается устойчивое повреждение, ухудшающее функционирование конструктивного элемента. Ухудшение характеристик конструктивного элемента, и/или ухудшение характеристик резонансного контура может выбираться из группы, включающей в себя деформацию, и/или унос материала, и/или образование трещин, и/или расширение трещин. Например, в конструктивном элементе в качестве деформации может проявляться искривление. Если связанная с конструктивным элементом, образующая колебательный контур проводящая структура состоит из хрупкого электропроводящего материала, то искривление конструктивного элемента может привести к трещине или разрыву проводящей структуры. Колебательный контур разрушается.
Описанный узел из теплового экрана и контрольного устройства может предпочтительным образом использоваться для того, чтобы проверять наличие теплового экрана в камере сгорания. Если измеренный сигнал обнаруживается, то тепловой экран присутствует. Работоспособность теплового экрана гарантируется. Если, напротив, никакой измеренный сигнал не обнаруживается, то либо ухудшение характеристик теплового экрана зашло настолько далеко, что контрольное устройство разрушилось, либо тепловой экран с контрольным устройством отсутствует. В обоих случаях работоспособность теплового экрана больше не гарантируется. За счет постоянной проверки в течение рабочей фазы теплового экрана или камеры сгорания с тепловым экраном ухудшение характеристик или отсутствие теплового экрана может очень быстро устанавливаться, и могут вводиться соответствующие меры. За счет этого отрицательные последствия, связанные с ухудшением характеристик или отсутствием теплового экрана, могут в значительной степени ограничиваться.
Проводящая структура содержит, по меньшей мере, один электропроводный материал, выбранный из группы керамических проводников и/или металлических проводников. Например, проводящая структура может конструироваться из так называемого кермета. В материале кермет-частицы металлического проводника в керамике распределены таким образом, что в результате обеспечивается определенная электропроводность. В качестве альтернативы, проводящая структура может состоять из проводящего керамического материала. В обоих случаях имеется хрупкий проводящий материал. Трещина в конструктивном элементе может продолжаться как трещина в проводящей структуре.
Материал конструктивного элемента и проводящий материал проводящей структуры могут состоять из полностью различных материалов или классов материалов с различными механическими свойствами. Например, конструктивный элемент состоит из металла. Ввиду пластичности металла, может возникнуть ухудшение конструктивного элемента в форме искривления. Чтобы искривление могло быть определено с помощью проводящей структуры, проводящая структура электроизолированным образом помещается на участок поверхности конструктивного элемента. В качестве электрического изолятора функционирует, например, керамика. Если при этом проводящая структура образована из хрупкого проводящего материала, то искривление конструктивного элемента приводит к трещине в проводящей структуре. Колебательный контур, образованный проводящей структурой, разрушается. Поэтому может быть сделан вывод об изгибе конструктивного элемента.
В одном особенном варианте выполнения материал конструктивного элемента и проводящий материал проводящей структуры имеют некоторое, по существу, одинаковое механическое свойство. Это механическое свойство выбирается, в частности, из группы свойств температурного расширения и стойкости к разрыву. В случае конструктивного элемента в форме теплового экрана между рабочей фазой и фазой останова газовой турбины имеет место очень большая разность температур. В процессе работы, например, во внутреннем пространстве камеры сгорания температура достигает 1500°С. За счет, по существу, одинакового свойства температурного расширения гарантируется то, что контакт между проводящей структурой и конструктивным элементом сохраняется и при переходе из рабочей фазы в фазу останова. В частности, предпочтительным является, если стойкость к разрыву материала конструктивного элемента и стойкость к разрыву проводящего материала, по существу, одинаковы. Тем самым, достигается то, что разрыв или трещина в конструктивном элементе может продолжаться в проводящей структуре.
Наряду с, по существу, одинаковыми механическими свойствами предпочтительным является, если материал конструктивного элемента и проводящий материал характеризуются, по меньшей мере, сходной стабильностью по отношению к внешнему влиянию. Внешнее влияние представляет собой, например, атмосферное влияние или температуру, под воздействием которых конструктивный элемент и/или проводящая структура находятся во время работы. Например, на участке поверхности теплового экрана, отвернутом от внутреннего пространства камеры сгорания, температура доходит до 800°С. Если проводящая структура выполнена на этом участке поверхности, то проводящий материал проводящей структуры должен выдерживать температуру до 800°С.
Предпочтительным образом, колебательный контур, и/или дополнительный колебательный контур, и/или антенна образованы проводящей структурой, размещенной на участке поверхности конструктивного элемента и/или встроенной в объем конструктивного элемента. Для изготовления узла, согласно особенно предпочтительному выполнению, в качестве материала конструктивного узла применяется керамика, а в качестве проводящего материала - металлический проводник или керамический проводник. При этом для жесткого соединения проводится совместное спекание керамики и проводящего материала и/или ступеньки проводящего материала. Например, на участок поверхности уже изготовленного керамического конструктивного элемента наносится паста из керамического проводящего материала. Паста может выполняться как ступенька керамического проводящего материала. Участок поверхности может при этом быть образован находящимся в конструктивном элементе пазом, имеющим форму изготавливаемой проводящей структуры. Для нанесения пасты пригоден, например, способ трафаретной печати или способ маскирования. Проводящий материал наносится при этом, в зависимости от требований, как петля, спираль или меандр. Важным здесь является тип, форма и граница допусков обнаруживаемого ухудшения характеристик. За счет совместного спекания при температуре спекания пасты из пасты образуется проводящая структура с керамическим проводящим материалом. Также возможен вариант, при котором имеется конструктивный элемент в форме керамического основного элемента, и паста керамического проводящего материала наносится на участке поверхности керамического основного элемента. За счет совместного спекания, при котором происходит как уплотнение керамического материала конструктивного элемента, так и уплотнение керамического проводящего материала проводящей структуры, изготавливается указанный узел.
Встраивание проводящей структуры в объем конструктивного элемента возможно, например, в том случае, когда конструктивный элемент состоит из нескольких керамических слоев. Конструктивный элемент представляет собой многослойный элемент. Слои формируются совместно с проводящей структурой, например, посредством совместного спекания. В результате получается керамический многослойный элемент, в объем которого встроена проводящая структура.
Однако проводящая структура может также встраиваться в керамический многослойный элемент, который не является контролируемым конструктивным элементом. Керамический многослойный элемент является составной частью контрольного устройства. Многослойный элемент может отличаться малыми размерами при высокой плотности интеграции. Так возможно всю проводящую структуру контрольного устройства встроить в керамический многослойный элемент. Также можно встраивать несколько описанных контрольных устройств в многослойный элемент. Поэтому в особой форме выполнения проводящая структура, по меньшей мере, частично встроена в керамический многослойный элемент. Например, в середине теплового экрана размещен керамический многослойный элемент, выполненный в виде модуля и содержащий антенну контрольного устройства. Керамический многослойный элемент представляет собой подложку НТСС (высокотемпературная керамика совместного обжига) или LTCC (низкотемпературная керамика совместного обжига).
В качестве конструктивного элемента может применяться любой конструктивный элемент. В частности, конструктивный элемент является частью теплового экрана камеры сгорания. Здесь проявляются очень сильные колебания температуры, которые могут привести к образованию макротрещин. Как описано выше, подобные макротрещины, при превышении критической длины, являются недопустимыми. Для контроля работоспособности теплового экрана колебательный контур, и/или дополнительный колебательный контур, и/или общий колебательный контур размещены, предпочтительно, на общем участке поверхности теплового экрана, который отвернут от внутреннего пространства камеры сгорания.
В итоге, изобретение обеспечивает следующие особые преимущества.
Возможно простое, бесконтактное и надежное обнаружение ухудшения характеристик конструктивного элемента.
Конструктивный элемент сам может иметь чрезвычайно неоднородную структуру. Также конструктивный элемент может иметь относительно большую толщину. Обнаружение ухудшения характеристик возможно и при этих условиях простым и надежным способом.
- Ухудшение характеристик может обнаруживаться на участке поверхности конструктивного элемента, которая является труднодоступной.
- Работоспособность конструктивного элемента может устанавливаться как в фазе останова, так и в рабочей фазе.
Изобретение описывается далее с помощью нескольких примеров выполнения и относящихся к ним чертежей. Чертежи являются схематичными и не представляют изображения в верном масштабе.
Фиг.1 показывает узел, состоящий из конструктивного элемента и контрольного устройства, в пространственном представлении.
Фиг.2 показывает другой пример выполнения узла, состоящего из конструктивного элемента и контрольного устройства, в пространственном представлении.
Фиг.3 показывает ухудшение в конструктивном элементе, которое проявляется как ухудшение колебательного контура.
Фиг.4 показывает эквивалентную схему общего колебательного контура контрольных устройств по фиг.1 и 2.
Узел 1 состоит из конструктивного элемента 2 в форме теплового экрана 20 и контрольного устройства 3 для обнаружения ухудшения 4 конструктивного элемента 2 (фиг.1 и 2). Контрольное устройство 3 содержит проводящую структуру 33, нанесенную на участок 23 поверхности теплового экрана 20. Участок 23 поверхности отвернут от внутреннего пространства 5 камеры сгорания газовой турбины. Проводящая структура 33 находится на внешней стороне теплового экрана 20.
0
Контрольное устройство 3 содержит колебательный контур 31 и колебательный контур 32. Колебательный контур 31 и дополнительный колебательный контур 32 связаны в общий колебательный контур 30. Для этого конденсатор 311 колебательного контура 31 и дополнительный конденсатор 321 дополнительного колебательного контура 32 включены параллельно (фиг.4). В результате формируется общий колебательный контур 30 с детектируемым общим резонансным сигналом, общая резонансная частота f которого зависит от емкостей обоих конденсаторов 311 и 321 следующим образом:
2
Для случая, когда колебательный контур 31 прерывается, может определяться только дополнительный резонансный сигнал дополнительного колебательного контура 32, для дополнительной резонансной частоты f которого справедливо следующее соотношение:
1
2
0
0
Если емкость C конденсатора 311 составляет примерно 47 пФ, емкость С дополнительного конденсатора 321 составляет примерно 10 пФ, и общая индуктивность L, которая, например, образована катушкой 301, составляет примерно 3 мкГ, то в соответствии с уравнением (1) для общей резонансной частоты f получается значение 12 МГц, а согласно уравнению (2) для дополнительной резонансной частоты f получается значение 29 МГц.
Наряду с колебательными контурами 31 и 32 контрольное устройство 3 содержит антенну 34. Антенна 34 служит в качестве устройства для ввода сигнала возбуждения в колебательный контур 31, в дополнительный колебательный контур 32 и, наконец, в общий колебательный контур 30. Антенна 34 служит в качестве детектора для обнаружения резонансного сигнала и/или дополнительного резонансного сигнала, и/или общего резонансного сигнала. С помощью антенны 34 энергия в форме высокочастотного сигнала вводится в колебательные контуры 30, 31 и 32. Если колебательные контуры 31 и 32 не повреждены, то есть не испытывают ухудшения, то формируется общий резонансный сигнал, который в отношении его резонансной частоты и его амплитуды соответствует номинальному значению. Если же получается измерительный сигнал, который не соответствует предварительно заданному общему резонансному сигналу, то можно сделать вывод об ухудшении колебательного контура 31 или дополнительного колебательного контура 32.
Тепловой экран 20 содержит керамику в качестве материала конструктивного элемента. Керамика представляет собой муллит. Проводящий материал проводящей структуры 33 представляет собой стойкий до температуры 800°С электропроводный керамический проводник. Проводящий материал и материал конструктивного элемента являются хрупкими. Они проявляют, по существу, одинаковую стойкость к разрыву.
Проводящая структура 33 нанесена на участок 23 поверхности теплового экрана 20 таким образом, что каждая трещина 40 в тепловом экране 20, которая увеличивается от края 21 теплового экрана 20 в направлении середины 22 теплового экрана 20 и превышает определенную длину, продолжается в проводящей структуре 33. Как только длина трещины 40 превысит критическую длину, дальнейшее расширение трещины 40 приводит к ухудшению 41 (образованию или расширению трещин) в проводящей структуре 33. Это приводит к ухудшению характеристик колебательного контура 31.
Согласно первому варианту осуществления дополнительный колебательный контур 32 общего колебательного контура 30 встроен в керамический многослойный элемент 35. Керамический многослойный элемент 35 представляет собой подложку из материала LTCC. Проводящая структура из серебра образует дополнительный колебательный контур 32.
Антенна 34 контрольного устройства 3 в первом варианте выполнения встроена вместе с дополнительным колебательным контуром 32 в керамический многослойный элемент 35 (фиг.1). Согласно другому варианту выполнения, антенна 34 не встраивается в многослойный элемент 35. Многослойный элемент 35 содержит только дополнительный колебательный контур 32 контрольного устройства 3 (фиг.2).
Для обнаружения ухудшения колебательного контура 31 в фазе останова антенна 34 устанавливается во внутреннем пространстве 5 камеры сгорания на тепловом экране 20. Посредством антенны 34 высокочастотный сигнал ответвляется в колебательные контуры 30, 31, 32. В зависимости от состояния колебательного контура 31, дополнительного колебательного контура 32 и общего колебательного контура 30 происходит поглощение высокочастотного сигнала и излучение соответствующего измерительного сигнала. На основе соотнесения измерительного сигнала с одним из резонансных сигналов делается вывод об ухудшении конструктивного элемента.