Turbinenschaufeln sind hoch spezialisierte Bauteile. Effiziente Filmkühlung wird durch Mikrobohrungen umgesetzt, die Kantenverrundung beeinflusst die Effizienz und die Beschichtung entscheidet über die Lebensdauer der Komponenten. Für die Qualitätssicherung setzen Hersteller eine All-in-one-Lösung von Alicona ein.
Je mehr funktionale Eigenschaften Turbinenschaufeln aufweisen, desto komplexer wird ihre Geometrie. Das bedeutet nicht nur eine komplexere Fertigung, sondern auch neue Anforderungen für die Messtechnik zur Qualitätskontrolle. Unterschiedliche Oberflächengeometrien sollen automatisiert, schnell, hochauflösend und rückführbar gemessen werden.
Um dies zu gewährleisten, arbeiten Hersteller von Turbinenschaufeln zum Beispiel mit dem optischen 3D-Messgerät Infinitefocus von Alicona. Mit dem System werden unter anderem Kühllöcher, Kantengeometrien am Turbinenfuß und dem Schaufelblatt sowie Beschichtungsergebnisse verifiziert. Das hochauflösende optische Messgerät basiert auf dem Prinzip, mit nur einem Sensor alle Funktionalitäten eines Mikrokoordinatenmesssystems und eines Rauheitsmessgeräts abzudecken.
Zum Einsatz kommt das Gerät unter anderem bei der Qualitätskontrolle von Kühllöchern. Bei der Filmkühlung wird kühlende Luft durch speziell geformte Löcher in den Turbinenschaufeln ausgestoßen. Diese Luft bildet eine dünne, kühlende Isolierschicht zwischen den Verbrennungsgasen und der Turbinenschaufel und verhindert eine Überhitzung des Materials. In der Qualitätskontrolle gilt es sicherzustellen, dass Winkel, Größe und Form von bis zu 500 mitunter unterschiedlich geformten Kühllöchern exakt ihrem CAD-Datensatz entsprechen.
Im Fokus der optischen Messung mit der Fokus-Variation stehen zwei Bereiche: das Bohrloch und der Übergang von Oberfläche zu Bohrloch. Besonders von Interesse sind dabei die Rundheit, der Durchmesser sowie die Winkel an den Übergängen. Die Messung der Kühllocher an verschiedenen Positionen erfolgt automatisch, was durch den Einsatz einer speziellen CAD/CAM-Software umgesetzt wird.
Herausfordernd: Kantenmessung am Schaufelfuß
Während die Geometrie von Mikrobohrungen für effiziente Filmkühlung verantwortlich ist, sorgt die richtige Kantenverrundung an der Hinter- und Vorderkante des Turbinenblattes für optimierte aerodynamische Eigenschaften und damit für eine effizientere Turbine.
Besonders herausfordernd ist die Kantenmessung unter anderem am Schaufelfuß, da es sich meist um eine Krümmung mit unterschiedlich großen Radien handelt. Die Fokus-Variation von Alicona ist hier in mehrerer Hinsicht geeignet. Zum einen erzielen Anwender hochauflösende, rückführbare und wiederholgenaue Ergebnisse. Zum anderen ermöglicht die hohe Auflösung zusätzlich zur Einpassung von Kreisen das Einpassen von Ellipsen und damit die Messung der „realen“ Kantengeometrie, die mit lediglich einem Radiusparameter nur bedingt verifiziert werden kann. Im Fokus der Messungen der Tannenbaumprofile stehen Parameter wie der Radius des Zahngrundes, die Zahnteilung, die Flankenwinkel sowie der Zahnkopfradius.
Sind Turbinenschaufeln richtig beschichtet, erhöhen sich ihre Stabilität, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer. Hersteller von Turbinenschaufeln nutzen Alicona daher zur Oberflächenmessung sowohl vor als auch nach der Beschichtung. Ersteres erfolgt durch die flächenhafte Rauheitsmessung, mit der Anwender verifizieren, ob die Oberfläche der Turbinenschaufel richtig aufgeraut ist.
Die Verifikation der richtigen Schichtdicke nach der Beschichtung wird durch die sogenannte Differenzmessung umgesetzt. Die beschichtete Oberfläche wird dabei einem „Vorher-Nachher“-Test unterzogen. Klassische Schichtdickenmessgeräte können hier nur unzureichend eingesetzt werden, da sie lediglich eine punktuelle Messung ermöglichen. ■
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