Messsonde und Verfahren zur Herstellung einer Messsonde

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messsonde zur Druck- und/oder Temperaturmes- 5 sung an mindestens einer, insbesondere mindestens zwei Messpositionen innerhalb eines strömenden Mediums mit einem Sondenkörper, mindestens einem Drucksensor einer von der Mussstelle zu einem entfernten Sensor geführten Druckmessleitung und einem Temperatursensor, wobei die Sensoren in entsprechenden, am Sondenkörper ausgebildeten Sensoraufnahmen angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung0 der erfindungsgemäßen Messsonde und Verwendungen der erfindungsgemäßen Messsonde.

Derartige Messsonden sind üblicherweise als so genannte Kammsonden ausgebildet. Dabei handelt es sich in der Regel um reine Temperatur- oder Drucksonden oder Kombisonden5 für Temperatur- und Druckmessung. Letztgenannte Kombisonden weisen jedoch den

Nachteil auf, dass sie ein schlechtes Verhalten bei einer so genannten Schräganströmung, d. h. bei einer nicht exakt in der Strömung durchgeführten Messung aufweisen oder eine relativ aufwändige, nicht hochtemperaturtaugliche Bauweise aufweisen. Des Weiteren sind die bekannten Messsonden relativ groß dimensioniert, es werden aus Gründen der Verfüg- o barkeit von Werkstoffen und der Bearbeitbarkeit einfache, aerodynamische und bezüglich der Stabilitätsanforderungen nicht optimierte Querschnitte gewählt. Dies führt in vielen Anwendungsfällen zu einer deutlichen Verschlechterung der Messgenauigkeit der bekannten Messsonden zur Druck- und/oder Temperaturmessung innerhalb eines strömenden Mediums. Zudem ist die Herstellung bekannter Messsonden aufgrund der Aufwändigkeit des5 Herstellungsverfahrens relativ kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messsonde der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die eine optimierte strömungstechnischen Anordnung der Messstellen und eine reduzierte Empfindlichkeit für Fehlanströmungen bei einem gleichzeitig sehr o kleindimensionierten Messsondenaufbau aufweist.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Messsonde der eingangs genannten Art bereit zu stellen, welches einerseits kostengünstig durchführbar ist und andererseits eine Vielzahl von Messsondenformen und -gestaltungen, insbesondere eine optimierte strömungstechnischen Anordnung der Messstellen und eine reduzierte Empfindlichkeit für Fehlanströmungen bei einem gleichzeitig sehr kleindimensionierten Messsondenaufbau ermöglicht.

Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden wird durch eine Messsonde mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen, sowie durch das im Anspruch 10 dargestellte Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Messsonde zur Druck- und/oder Temperaturmessung an mindes- tens zwei Messpositionen innerhalb eines strömenden Mediums umfasst einen Sondenkörper, mindestens einen Drucksensor und einen Temperatursensor, wobei die Sensoren in entsprechenden, am Sondenkörper ausgebildeten Sensoraufnahmen angeordnet sind. Zudem ist die Messsonde zumindest teilweise schichtweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Dabei kann das generative Fertigungsverfahren ein so genann- tes Rapid-Prototyping- oder ein Rapid-Manufacturing- Verfahren, insbesondere ein Lasersintern, Lasermikrosintern oder Laserschmelzen sein. Dadurch ist es möglich, dass Messsonden, insbesondere so genannte Kammsonden zur kombinierten Messung von Totaldruck und Totaltemperatur beziehungsweise Druck und Temperatur an mehreren Messpositionen/ -stellen ausgebildet werden, die eine optimierte strömungstechnische Anordnung der Messstellen und eine entsprechend reduzierte Empfindlichkeit für Fehlanströmungen bei einem gleichzeitig sehr klein dimensionierten Messsondenaufbau, bereitzustellen. Die Messstellen können dabei exakt zur Strömung ausgerichtet werden, so dass sie relativ unempfindlich gegenüber einer Schräganströmung sind. Die erfindungsgemäße Konstruktion der Messsonde kann mit bekannten Verfahren nicht oder nur sehr aufwändig, zum Beispiel durch Feinguss, hergestellt werden. Erfindungsgemäß wird eine Messsonde mit einem schichtweisen Aufbau bereitgestellt, wodurch einerseits eine massive Bauweise der Mess-

sonde möglich ist, andererseits aber ohne weiteres Hohlstrukturen und belastungsgerechte interne Strukturen innerhalb der Messsonde ausgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Messsonde weist zudem Freiflächen mit optimaler messtechnischer, aerodynamischer, thermischer und belastungsgerechter Auslegung auf. Bei der erfindungsgemäßen Messsonde kann es sich zum Beispiel um eine Totaltemperatur- und Totaldrucksonde in Strömungen mit über der Kanalhöhe stark variierender Strömungsrichtung, eine Sonde mit einer Vielzahl von Druckmessstellen und damit verbundenen internen Kanälen sowie eine wassergekühlte Heißgassonde zur Gasentnahme, Druckmessung und Temperaturmessung handeln.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messsonde weist diese mindestens einen, im Sondenkörper integriert ausgebildeten Leitungskanal zur Aufnahme und Verlegung von elektrischen Anschlussleitungen des mindestens einen Drucksensors und des mindestens einen Temperatursensors auf. Der Leitungskanal kann zudem zum Verlegen und Anordnen des mindestens einen Temperatursensors innerhalb des Sondenkörpers ausgebildet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass die Messsonde mindestens einen, im Sondenkörper integriert ausgebildeten Kühlkanal aufweist. Dadurch ist es möglich, dass die Messsonde auch zur Bestimmung von sehr hohen Umgebungstemperaturen verwendet werden kann, da diese von einem Kühlmedium durchströmt wird.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messsonde sind die Sen- soraufhahmen zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet und insbesondere zur Strömung des Mediums hin ausgerichtet. Dadurch werden die Messstellen, die sich innerhalb der Sensoraufnahmen befinden, unempfindlich gegenüber einer die Messgenauigkeit ver- schlechternden Schräganströmung. Die exakte Ausrichtung der Sensoraufhahmen zur Strömung des Mediums hin erhöht zudem die Messgenauigkeit.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung besteht die Messsonde aus Metall, einer Metall-Legierung, Keramik, Graphit, Silikat, Kunststoff oder einer Mischung dieser Materialien. Entscheidend für die Verwendbarkeit des Messsondenmaterials ist einerseits dessen Verwendbarkeit für ein generatives Fertigungsverfahren und eine entsprechende

Unempfindlichkeit gegenüber dem zu messenden strömenden Medium. Das Medium kann dabei ein Gas, Luft oder eine Flüssigkeit sein. Auch andere Fluide sind denkbar.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer im Vorhergehenden beschriebenen 5 erfindungsgemäßen Messsonde umfasst ein generatives Fertigungsverfahren. Insbesondere kann die Messsonde mittels eines Rapid-Prototyping- oder eines Rapid-Manufacturing- Verfahrens, wie zum Beispiel mittels Lasersintern, Lasermikrosintern oder Laserschmelzen hergestellt werden. Durch die Anwendung von generativen Fertigungsverfahren ist es möglich, einerseits Messsonden kostengünstig herzustellen und andererseits eine Vielzahl von0 Messsondenformen und -gestaltungen bereitstellen zu können. Insbesondere können optimierte strömungstechnische Anordnungen der Messstellen und eine reduzierte Empfindlichkeit für Fehlanströmungen dieser Messstellen bei einem gleichzeitig sehr klein dimensionierten Messsondenaufbau verwirklicht werden. Zudem besteht die Möglichkeit einer dreidimensionalen Gestaltung der Messsonden mit Freiflächen mit einer ebenfalls opti-5 mierten messtechnischen, aerodynamischen, thermischen und belastungsgerechten Auslegung der Messsonde. Der schichtweise Aufbau der Messsonde ermöglicht eine nahezu unbegrenzte geometrische Freiheit in der Ausgestaltung beziehungsweise Konstruktion der Messsonde. Dabei können zum Beispiel Messsonden mit integrierten Kanälen für die Druckmessung, zur Durchströmung mit einem Kühlmedium und zur Verlegung von Tem- o peratursensoren ohne weiteres hergestellt werden. Die komplexen inneren Kanäle müssen nicht durch Abformprozesse hergestellt werden, sondern werden beim generativen, schichtweisen Aufbau freigelassen. Bei generativen Verfahren mit Materialzuführung bleiben die Kanäle gemäß einem rechnergenerierten Datenmodell frei, beim Aufbau im Pulverbett wird das Werkstoffpulver an der Stelle der Kanäle nicht verfestigt und wird an- 5 schließend ausgeblasen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können zum Beispiel Totaltemperatur- und Totaldrucksonden in Strömungen mit über der Kanalhöhe stark variierender Strömungsrichtung, so genannte verdrehte Sonden, Sonden mit einer Vielzahl von Druckmessstellen und damit verbundenen internen Kanälen sowie wassergekühlte Heißgassonden zur Gasentnahme, Druckmessung und Temperaturmessung hergestellt werden. o Dabei handelst es sich insbesondere um so genannte Kammsonden. Da durch die Verwendung von generativen Fertigungsverfahren keine speziellen Werkzeuge zur Herstellung der

Messsonden erforderlich sind, ist dieses Verfahren auch relativ kostengünstig durchführbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses fol- 5 gende Schritte: (a) Schichtweiser Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Messsondenwerkstoff auf eine Bauteilplattform; (b) Lokales Versintern oder Verschmelzen des Messsondenwerkstoffs mittels Laserenergie, wobei mindestens ein Laser entsprechend der Schichtinformation der herzustellenden Messsonde über die aufgetragene Messsonden- werkstoffschicht geführt wird; (c) Absenken der Bauteilplattform um eine vordefinierte0 Schichtdicke und (d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) bis zur Fertigstellung der Messsonde. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, dass einerseits die erfindungsgemäßen Messsonden kostengünstig herstellbar sind und andererseits eine Vielzahl von Messsondenformen und -gestaltungen möglich sind. Insbesondere betrifft dies die Herstellung von Messsonden zur kombinierten Druck- und Temperaturmessung von mindestens5 zwei Messstellen bzw. Messpositionen in einem strömenden Medium, wie zum Beispiel Gas, Luft oder eine Flüssigkeit mit einer optimierten strömungstechnischen Anordnung der Messstellen und reduzierter Empfindlichkeit für Fehlanströmungen bei einem gleichzeitig sehr kleindimensionierten Messsondenaufbau. Beispielhaft kann der pulverförmige Messsondenwerkstoff aus Graphit, Keramik, Metall, einer Metall-Legierung, Silikat, Kunststoff o oder einer Mischung dieser Materialien bestehen. Der verwendete Laser ist vorzugsweise ein CO ₂ - oder Nd:YAG-Laser.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Form und der Materialaufbau der Messsonde als computergeneriertes Modell bestimmt, wobei die5 daraus generierten Schichtinformationen zur Steuerung von mindestens einem Pulvervorratsbehälter, der Bauteilplattform und des mindestens einen Laser verwendet werden. Dieses Verfahren gewährleistet eine nahezu unbegrenzte Formenvielfalt der herzustellenden Messsonden.

o Eine erfindungsgemäße Verwendung der im Vorhergehenden beschriebenen Messsonde ist die kombinierte Messung von Temperatur und Druck an mindestens zwei Messpositionen

innerhalb eines strömenden Mediums einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfol- genden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messsonde.

Eine Messsonde 10 zur Druck- und/oder Temperaturmessung an mehreren Messpositionen innerhalb eines strömenden Mediums umfasst einen Sondenkörper 12 sowie eine oder mehrere am Sondenkörper 12 ausgebildete Sensoraufhahmen 14. Die Sensoraufnahmen 14 dienen zur Aufnahme von Druck- und Temperatursensoren. Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Messsonde 10 ist dabei schichtweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt.

Der Sondenkörper enthält Druckmessbohrungen (16) über die der an der Messstelle anliegende Druck zu einem entfernten Sensor weitergeleitet wird. Alternativ können auch Kühlleitungen zur Kühlung von integrierten Drucksensoren oder des Sondenkörpers selbst enthalten sein. Des Weiteren erkennt man, dass die Messsonde 10 mehrere im Sondenkörper 12 integriert ausgebildete Leitungskanäle 18 zur Aufnahme und Verlegung von elektri- sehen Anschlussleitungen der Drucksensoren und der Temperatursensoren aufweist. Die Leitungskanäle 18 können aber auch zum Verlegen und Anordnen von Temperatursensoren innerhalb des Sondenkörpers 12 verwendet werden.

Des Weiteren erkennt man, dass der Sondenkörper 12 mit seiner Sondenoberfläche 22 ae- rodynamisch ausgebildet ist und entsprechende Freiflächen an seiner Oberfläche 22 aufweist. Die Sensoraufnahmen 14 sind dabei ungefähr zylindrisch ausgebildet und zur Strömung des Mediums hin ausgerichtet. Dabei können die Sensoraufhahmen 14 zumindest teilweise als Stauröhrchen zur Druckmessung dienen. In dem dem Sondenkörper 12 näher liegenden Bereich der Sensoraufnahmen 14 weisen diese Austrittsöffnungen 24 für den Austritt des in die Sensoraufhahmen 14 einfließenden Mediums auf.

Die Messsonde 10 kann im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel aus einer Metalllegierung, insbesondere einer Titan- oder Aluminiumlegierung oder einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung, bestehen. Es ist aber auch möglich, dass die Messsonde 10 aus Keramik, Graphit, Silikat, Kunststoff, Stahl oder Metall beziehungsweise aus mehreren dieser Werkstoffe be- 5 steht. Entscheidend für das Material der Messsonde 10 ist, dass dieses als sinterförmiges Pulver bereitgestellt werden kann.

Die im Vorhergehenden beschriebene Ausgestaltung bzw. der Aufbau der Messsonde 10 wird dadurch möglich, dass die Messsonde 10 schichtweise mittels eines generativen Ferti-0 gungsverfahrens wie dem Rapid-Prototyping oder dem Rapid-Manufacturing, insbesondere durch Lasersintern, Lasermikrosintern oder Laserschmelzen hergestellt ist. Die Fertigung der Messsonde 10 wird im Folgenden beispielhaft beschrieben:

Zunächst werden die Form und der Materialaufbau der Messsonde 10 als computergene-5 riertes Modell (CAD-Modell) in einem Computer bestimmt. Die daraus generierten

Schichtinformationen werden als entsprechende Daten in einen Steuerrechner einer Fertigungsvorrichtung (nicht dargestellt) eingegeben. Diese Daten dienen zur Steuerung von beispielsweise eines den Sondenwerkstoff enthaltenden Pulverbehälters, einer Bauteilplattform und eines Lasers sowie einem dem Laser nachgeschalteten Scanner. Der Computer o kann dabei auch als Steuerrechner der Fertigungsvorrichtung verwendet werden.

In weiteren Fertigungsschritten wird mittels eines Wischers zunächst gemäß einem ersten Verfahrensschritt (a) der in den Pulvervorratsbehältern gelagerte pulverförmige Messsondenwerkstoff auf die Bauteilplattform schichtweise aufgetragen. In einem nächsten Verfah-5 rensschritt (b) erfolgt eine lokale Versinterung oder eine lokale Verschmelzung des Messsondenwerkstoffs 34 mittels Laserenergie, wobei ein Laserstrahl des Lasers entsprechend der Schichtinformation der herzustellenden Messsonde 10 über die aufgetragene Messson- denwerkstoffschicht geführt wird. Der Laser kann dabei ein CO ₂ - oder Nd: YAG-Laser sein. Die pulverförmigen Messsondenwerkstoffe bestehen im dargestellten Ausführungs- o beispiel insbesondere aus Metall. Es ist aber auch möglich, dass Keramik-, Graphit-, SiIi-

kat- oder Kunststoffpulver oder Pulver einer Metall-Legierung oder Mischungen davon verwendet werden.

In einem sich anschließenden Verfahrensschritt (c) erfolgt ein Absenken der Bauteilplatt- form um eine vordefinierte Schichtdicke. Anschließend werden die Verfahrensschritte (a) bis (c) bis zur Feststellung der Messsonde 10 wiederholt.