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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Sonde für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine sowie auf eine Lichtschranke zum optischen Erfassen von Schwingungen eines Rotorschaufelkranzes oder anderer Teile einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine und auf Verfahren zum Bereitstellen von Licht, zum Erfassen von Licht und zum Erfassen einer Vibration in einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine.
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Turbinen, Axialverdichter und andere Strömungsmaschinen können während des Betriebs extremen mechanischen und teilweise auch thermischen Belastungen ausgesetzt sein. Zur Fliehkraft kommen Spannungen aus mechanischen Vibrationen hinzu. Besonders wenn eine Frequenz einer periodischen Anregung einer Eigenfrequenz einer mechanischen Eigenschwingung nahekommt, kann eine große Schwingungsamplitude auftreten. Die damit einhergehende mechanische Spannung kann Schäden an oder eine Zerstörung der Strömungsmaschine zur Folge haben.
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Aus diesem Grund werden beispielsweise bei Gasturbinentriebwerken für Luftfahrzeuge und andere mobile oder stationäre Anwendungen Schwingungen während des Betriebs erfasst. Schwingungen eines Rotors und von Rotorschaufeln an einem Rotor können durch Sensoren erfasst werden. In der
EP 1 189 044 A1 und der
GB 2 342 988 A sind optische Messungen an einem Deckband eines Rotorschaufelkranzes bzw. an den radial äußeren Enden von Turbinenschaufeln beschrieben. In der
JP H11 - 190 658 A und der
JP 2000-28428 A sind optische Sonden zur Erfassung von Schaufelvibrationen an Schaufelspitzen beschrieben. In der
US 5 511 426 A und der
EP 1 505 374 A1 sind Verfahren zum Auswerten zahlreicher Sensorsignale hinsichtlich Schaufelschwingungen beschrieben. Die Druckschriften
US 4 459 043 A und
DE 22 41 436 B2 beschreiben Beispiele von optischen Sonden zum Einleiten von Licht in Triebwerke.
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Zur Erfassung bestimmter Schwingungsformen sind jedoch Messungen nicht nur am Deckband oder an der Schaufelspitze wünschenswert, sondern auch bei Radien zwischen dem inneren Ende und dem äußeren Ende eines Blatts.
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Dazu sind Sonden erforderlich, die in den Strömungskanal und damit in den (heißen) Strömungskanal hineinragen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Sonde für eine Turbine oder eine andere Strömungsmaschine, eine Lichtschranke zum optischen Erfassen einer Schwingung eines Blatts eines Rotorschaufelkranzes oder eines anderen Teils einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine sowie Verfahren zum Bereitstellen oder Erfassen von Licht und zum Erfassen einer Vibration in einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine optische Sonde für eine Turbine oder eine andere Strömungsmaschine umfasst einen hohlen Schaft mit einem ersten Abschnitt der für eine Anordnung außerhalb eines Strömungskanals in der Strömungsmaschine ausgebildet ist, und einem zweiten Abschnitt, der für eine Anordnung innerhalb des Strömungskanals vorgesehen ist. Im ersten Abschnitt ist ein Übergangsort vorgesehen, der zur Anordnung einer Lichtübertrittsfläche an einem Ende eines Lichtwellenleiters zur optischen Kopplung der Sonde mit einer anderen Vorrichtung oder zur Anordnung eines opto-elektronischen oder elektro-optischen Wandlers ausgebildet ist. Im zweiten Abschnitt ist ein optisches Bauelement zum optischen Koppeln des Übergangsorts mit einem Raumbereich außerhalb des hohlen Schafts angeordnet.
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Ein optionales weiteres optisches Bauelement im ersten Abschnitt koppelt den Übergangsort mit dem optischen Bauelement. Das optionale weitere optische Bauelement kann so ausgebildet sein, dass es den Übergangsort und das optische Bauelement auch dann koppelt, wenn der Schaft innerhalb vorbestimmter Grenzen verformt ist.
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Das optische Bauelement kann eine Spiegelfläche umfassen, die eine Platin-Gold-Legierung oder ein anderes reflektierendes Material aufweist. Die Spiegelfläche kann insbesondere konvex sein. Das optionale weitere optische Bauelement ist beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, wobei der Übergangsort näherungsweise im Fokus der Linse bzw. des Spiegels angeordnet ist. Im zweiten Abschnitt des hohlen Schafts oder im gesamten hohlen Schaft zwischen dem Übergangsort und dem optischen Bauelement ist insbesondere kein Lichtwellenleiter angeordnet.
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Am ersten Abschnitt kann ein Fluid-Anschluss zum Zuführen eines Fluids zum Kühlen oder Reinigen der Sonde, insbesondere des optischen Bauelements, vorgesehen sein, der mit dem Lumen des Schafts verbunden ist. Am zweiten Abschnitt kann eine Öffnung vorgesehen sein, durch die ein Fluid, das durch den hohlen Schaft vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt strömt, austreten kann, wobei das optische Bauelement so ausgebildet ist, dass Licht, das durch den hohlen Schaft fällt, aus der Öffnung austritt und umgekehrt Licht, das aus einem vorbestimmten Raumbereich durch die Öffnung fällt, durch den hohlen Schaft auf den Übergangsort fällt.
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Eine Lichtschranke für eine Turbine oder eine andere Strömungsmaschine, insbesondere zum optischen Erfassen einer Schwingung an einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine, umfasst eine erste und eine zweite optische Sonde, wobei zumindest entweder die erste oder die zweite optische Sonde eine optische Sonde ist, wie sie oben beschrieben ist. Die erste optische Sonde weist an ihrem Übergangsort eine Lichtquelle oder eine Lichtübertrittsfläche eines Lichtwellenleiters zur optischen Kopplung der ersten optischen Sonde mit einer Lichtquelle auf. Die zweite optische Sonde weist an ihrem Übergangsort einen Lichtsensor oder eine Lichtübertrittsfläche eines Lichtwellenleiters zur optischen Kopplung der zweiten optischen Sonde mit einem Lichtsensor auf. Die erste optische Sonde kann insbesondere stromaufwärts der Blätter eines Rotorschaufelkranzes angeordnet sein, die zweite optische Sonde kann insbesondere stromabwärts der Blätter angeordnet und für eine Spülung mit einem Fluid während des Betriebs der Strömungsmaschine ausgebildet sein.
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Eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Turbine, umfasst eine der oben beschriebenen optischen Sonden oder eine der oben beschriebenen Lichtschranken. Dabei kann die Länge des zweiten Abschnitts der optischen Sonde insbesondere zwischen null Zehnteln und neun Zehnteln einer radialen Länge eines Blatts eines zu der optischen Sonde benachbarten Rotorschaufelkranzes der Strömungsmaschine betragen.
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Bei einem Verfahren zum Bereitstellen von Licht für eine optische Messung in einem Strömungskanal in einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine, die den Strömungskanal enthält, wird Licht außerhalb des Strömungskanals erzeugt, durch einen hohlen Schaft mit einem ersten Abschnitt, der außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, und einem zweiten Abschnitt, der innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, übertragen und durch eine Öffnung am zweiten Abschnitt in den Strömungskanal der Strömungsmaschine geleitet.
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Bei einem Verfahren zum Erfassen von Licht für eine optische Messung in einem Strömungskanal in einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine wird Licht, das durch eine Öffnung vom Strömungskanal in einen zweiten Abschnitt eines hohlen Schafts eingetreten ist, durch den hohlen Schaft zu einem ersten Abschnitt des hohlen Schafts, der außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, übertragen und außerhalb des Strömungskanals der Strömungsmaschine erfasst.
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Bei einem Verfahren zum Erfassen einer Vibration in einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine wird Licht wie oben beschrieben, bereitgestellt und wie ebenfalls oben beschrieben, erfasst. Zum Erfassen einer Vibration eines Blatts eines Rotorschaufelkranzes kann das Licht stromaufwärts des Rotorschaufelkranzes bereitgestellt und stromabwärts des Rotorschaufelkranzes erfasst werden.
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Bei jedem der vorstehend beschriebenen Verfahren kann ferner ein Fluid durch den hohlen Schaft vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt des hohlen Schafts geleitet werden, das durch die Öffnung im zweiten Abschnitt austritt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen je nach Anwendung eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere sind im zweiten Abschnitt des hohlen Schafts, der im Strömungskanal hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann, nur wenige und einfache optische Bauelemente angeordnet. Insbesondere ist nur das optische Bauelement im zweiten Abschnitt angeordnet und hohen Temperaturen ausgesetzt. Eine Spiegelfläche aus einer Platin-Gold-Legierung ist auch bei Temperaturen über 1000° Celsius ungekühlt beständig. Der erste Abschnitt des Schafts und mit ihm der Übergangsort und das optionale weitere optische Bauelement sind außerhalb des Strömungskanals angeordnet und damit nur deutich geringeren Temperaturen ausgesetzt. Außerhalb des Strömungskanals herrschen bei Gasturbinentriebwerken typischerweise Temperaturen von weniger als 700° Celsius. Bei diesen Temperaturen kann das optionale weitere optische Bauelement beispielsweise eine Saphir-Linse sein. Bei Temperaturen bis 700° Celsius im ersten Abschnitt des hohlen Schafts außerhalb des Strömungskanals sind auch Lichtwellenleiter einsetzbar, insbesondere metallbeschichtete Lichtwellenleiter. Über einen solchen Lichtwellenleiter kann eine Sonde mit einer Laserdiode oder einer anderen Lichtquelle oder mit einer Fotodiode oder einem anderen Lichtsensor in einem Bereich gekoppelt sein, in dem eine noch wesentlich geringere Temperatur herrscht.
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Der zweite Abschnitt des hohlen Schafts der Sonde ragt in den Strömungskanal einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine hinein. Mit dem optischen Bauelement am oder nahe dem Ende des zweiten Abschnitts ist eine optische Messung im Gasstrom im Strömungskanal und nicht nur an dessen Rand möglich. Dadurch ist die Sonde auch bei Rotorschaufeln bzw. Blättern von Rotorschaufeln möglich, die an ihren radial äußeren Enden durch ein Deckband verbunden sind und deshalb oder aus anderen Gründen dort nur geringe Auslenkungen zeigen. Damit eignet sich die Sonde insbesondere für die Erfassung von Schwingungen von Rotorblättern in Niederdruckturbinen, die häufig ein Deckband aufweisen.
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Das optische Bauelement und das optionale weitere optische Bauelement können so ausgebildet sein, dass auch bei einer beispielsweise thermisch bedingten Verformung des hohlen Schafts eine Kopplung zwischen dem Übergangsort und dem optischen Bauelement und eine Kopplung zwischen zwei Sonden zur Bildung einer Lichtschranke sicher gewährleistet ist. Wenn das optische Bauelement beispielsweise ein leicht konvexer Umlenkspiegel ist, verlässt vom Übergangsort ausgehendes Licht den Umlenkspiegel als leicht divergentes Bündel, und Licht aus einem kegelförmigen Raumbereich wird vom Umlenkspiegel auf den Übergangsort geworfen. Wenn das optionale weitere optische Bauelement beispielsweise eine Sammellinse ist, deren Brennweite etwas größer ist als der Abstand zwischen ihrer Hauptebene und dem Übergangsort, wirft die Linse vom Übergangsort ausgehendes Licht in einen leicht divergenten kegelförmigen Raumbereich und Licht aus einem kegelförmigen Raumbereich auf den Übergangsort. Der Abstand zwischen Hauptebene und Übergangsort kann im Verhältnis zur Brennweite so gewählt werden, dass auch bei einer maximalen im Betrieb auftretenden Verformung des hohlen Schafts eine optische Kopplung zwischen dem Übergangsort und dem optischen Bauelement gegeben ist.
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Die beschriebenen Sonden können deshalb auch ohne Kühlung besonders hochtemperaturfest ausgestaltet sein. Wenn auf eine Kühlung verzichtet werden kann, können thermische Spannungen innerhalb der Sonde vermindert und eine schlanke Bauweise mit einem großen Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser erzielt werden. Eine schlanke Bauweise ist aerodynamisch besonders günstig, weil der Gasstrom im Strömungskanal nur geringfügig beeinflusst wird. Die mögliche schlanke Bauweise ermöglicht ferner eine Integration mit einem Blatt einer Statorschaufel oder mit einer anderen Einrichtung.
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Besonders bei einer Anordnung einer Lichtaustrittsöffnung oder Lichteintrittsöffnung an einer Luvseite des zweiten Abschnitts einer Sonde kann über einen Fluid-Anschluss im ersten Abschnitt Spülluft oder ein anderes Fluid in den hohlen Schaft geleitet werden, das im zweiten Abschnitt durch die Öffnung austritt. Dadurch kann beispielsweise ein Eindringen korrosiver Verbrennungsgase verhindert werden. Da die Spülluft jedoch keine Kühlfunktion aufweisen muss, kann sie vorgewärmt sein. Schwankungen des Brechungsindex aufgrund von Schwankungen der Temperatur in der Nähe der Öffnung und die resultierenden optischen Nachteile können damit vermieden werden. Über einen Fluid-Anschluss im ersten Abschnitt kann auch - beispielsweise im Rahmen einer Wartung - ein Fluid zugeführt werden, das die Sonde reinigt, insbesondere das optische Bauelement.
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Das optische Bauelement in Form eines Umlenkspiegels aus einer Platin-Gold-Legierung oder einem anderen reflektierenden Material kann beispielsweise durch Laserpunktschweißen im zweiten Abschnitt der Sonde befestigt werden. Damit ist eine leichte Austauschbarkeit gegeben. Im Fall eines konvexen Umlenkspiegels kann der Krümmungsradius abhängig vom Abstand zweier Sonden einer Lichtschranke sowie den erwarteten oder gemessenen Verformungen der Sonden angepasst werden. In Anpassung an die Bedingungen ist auch eine nicht-sphärische Krümmung mit unterschiedlichen Krümmungsradien in vertikaler und horizontaler Richtung möglich. Ein typischer Krümmungsradius bei einem Abstand zweier Sonden einer Lichtschranke von 50 mm beträgt 50 mm. Der Ablenkwinkel des Umlenkspiegels ist an die Anordnung der Sonde bzw. der Sonden einer Lichtschranke angepasst und kann von 90° abweichen.
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Ein typischer Durchmesser einer Öffnung im zweiten Abschnitt der Sonde beträgt 1,5 mm. An einer Rotorstufe eines Gasturbinentriebwerks können mehrere Lichtschranken bei gleichen oder unterschiedlichen Radien verwendet werden. Auch die weiteren optischen Bauelemente zweier Sonden einer Lichtschranke können sich bei unterschiedlichen Radien befinden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Messposition an einer Schaufel bzw. einem Blatt, insbesondere der Radius der Messposition, von der axialen Position der Schaufel abhängt, die sich während des Betriebs ändern kann.
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Zwei Orte oder optische Elemente sind optisch mit einander gekoppelt, wenn vom einen Ort oder vom einen optischen Element (in einer vorbestimmten Richtung) ausgehendes Licht den anderen Ort bzw. das andere optische Element erreicht. Aufgrund der Reziprozität der Optik (solange nichtlineare Wirkungen vernachlässigt werden können) gilt dies dann in der Regel auch für die umgekehrte Richtung.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Turbine mit einer Lichtschranke;
- 2 eine schematische Darstellung einer Sonde;
- 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Sonde;
- 4 eine schematische Darstellung einer Lichtschranke in einer Turbine und
- 5 ein schematisches Flussdiagramm.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Turbine 10 in einem Schnitt parallel zu einer in 1 nicht dargestellten Achse eines Rotors der Turbine 10. Insbesondere zeigt 1 einen Teil eines Strömungskanals 11 der Turbine 10. Der Strömungskanal 11 wird durch eine Wand 12 nach außen begrenzt. Die Wand 12 kann mehrteilig sein und ruhende Teile und bewegte Teile umfassen. Die Turbine 10 weist Blätter 13 von Statorschaufeln in mehreren Schaufelkränzen und Blätter 14 von Rotorschaufeln in mehreren zwischen den Statorschaufelkränzen angeordneten Rotorschaufelkränzen auf. Von den Statorschaufeln und den Rotorschaufeln sind in 1 nur Teile der Blätter 13, 14 dargestellt. Die Blätter 14 der Rotorschaufeln sind an ihren außenliegenden Enden über ein Deckband 16 miteinander verbunden. Das Deckband 16 ist Teil der Wand 12 des Strömungskanals 11. Ein Pfeil 18 deutet die Strömungsrichtung eines Gasstroms in dem Strömungskanal 11 der Turbine 10 an.
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Die Turbine 10 weist eine Lichtschranke 20 auf, die eine erste optische Sonde 22 und eine zweite optische Sonde 24 umfasst. Die erste optische Sonde 22 und die zweite optische Sonde 24 können gleich oder ähnlich aufgebaut sein. Die erste optische Sonde 22 sendet einen Lichtstrahl 26, der von der zweiten optischen Sonde 24 empfangen werden kann, wenn kein Blatt 14 einer Rotorschaufel den Lichtstrahl 26 unterbricht. Der Aufbau der ersten optischen Sonde 22 wird nachfolgend mit Bezug auf 2 näher erläutert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der ersten optischen Sonde 22 aus 1. Die optische Sonde 22 umfasst einen hohlen Schaft 28, der beim vorliegenden Beispiel mehrere zylindrische Abschnitte mit unterschiedlich großen Querschnitten umfasst. Zwischen den zylindrischen Abschnitten sind an der Außenseite Stufen und an der Innenseite glatte Übergänge vorgesehen. Die Querschnitte des hohlen Schafts 28 können in den verschiedenen zylindrischen Abschnitten unterschiedliche Formen aufweisen und beispielsweise kreisförmig, rechteckig, tropfenförmig oder tragflächenförmig sein. Der hohle Schaft 28 weist ein Lumen auf, das sich fast über seine gesamte Länge erstreckt.
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Ein erster Abschnitt 30 des Schafts 28 ist für eine Anordnung außerhalb eines Strömungskanals 11, insbesondere außerhalb einer Wand 12 des Strömungskanals 11, einer Strömungsmaschine 10 vorgesehen. Der erste Abschnitt 30 des Schafts 28 umfasst eine Sammellinse 32, beispielsweise eine Saphir-Linse, und einen Übergangsort 34. Am Übergangsort 34 kann eine Lichtübertrittsfläche am Stirnende einer Glasfaser oder eines anderen Lichtwellenleiters oder eine Lichtquelle oder eine Sensorfläche angeordnet werden. Dazu kann der Schaft 28 in der Nähe des Übergangsorts 34 eine oder mehrere in 2 nicht dargestellte Einrichtungen aufweisen, die eine Position einer Lichtübertrittsfläche eines Lichtwellenleiters oder einer Lichtquelle oder eines Lichtsensors eindeutig definieren können. Beispiele für solche Einrichtungen sind mechanische Führungen und mechanische Anschläge.
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Im ersten Abschnitt 30 ist ferner ein Fluid-Anschluss 38 vorgesehen, der mit dem Lumen 29 des Schafts 28 verbunden ist, so dass ein Fluid durch den Fluid-Anschluss 38 in das Lumen 29 des Schafts 28 strömen kann.
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Ein zweiter Abschnitt 40 des Schafts 28 ist für eine Anordnung in einem Strömungskanal einer Strömungsmaschine vorgesehen und ausgebildet. Im zweiten Abschnitt 40 sind ein Spiegel 42 und eine Öffnung 44 am oder nahe dem vom ersten Abschnitt 30 abgewandten Ende des zweiten Abschnitts 40 angeordnet. 3 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung des zweiten Abschnitts 40.
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Die Linse 32 oder ein entsprechendes optisches Bauelement ist so angeordnet und ausgebildet, dass vom Übergangsort 34 ausgehendes Licht auf den Spiegel 42 geworfen wird. Die Linse 32 ist insbesondere so ausgebildet und angeordnet, dass der von ihr erzeugte Lichtfleck am Ort des Spiegels 42 ohne die beschränkende Wirkung des Lumens 29 größer als der Spiegel 42 wäre. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einer Verformung des Schafts 28 Licht auf den Spiegel 42 fällt. Der Spiegel 42 ist so angeordnet und insbesondere hinsichtlich seines Winkels und seiner Krümmung so ausgebildet, dass das auf ihn fallende Licht die Öffnung 44 in einen leicht divergenten Lichtstrahl 26 verlässt.
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Durch diese Anordnung und Ausbildung der Linse 32 und des Spiegels 42 ist gemäß der Reziprozität der linearen Optik auch gewährleistet, dass innerhalb eines den Grenzen des Lichtstrahls 26 entsprechenden Raumbereichs auf die Öffnung 44 fallendes Licht auf den Übergangsort 34 geworfen wird, um dort beispielsweise von einem Lichtsensor in ein elektrisches Signal gewandelt oder in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt zu werden. Durch die leichte Divergenz des von der ersten Sonde 22 ausgehenden Lichtstrahls 26 und durch eine leichte Kegelform des Raumbereichs, aus dem die zweite optische Sonde 24 Licht empfängt, ist sichergestellt, dass auch bei einer beispielsweise thermisch bedingten Verformung der Schäfte 28 der optischen Sonden 22, 24 von der ersten Sonde 22 ausgehendes Licht von der zweiten Sonde 24 empfangen wird, wenn keine Abschattung durch ein Blatt 14 einer Rotorschaufel vorliegt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer radialen Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Turbine mit Blättern 13 von mehreren Leitschaufeln bzw. Statorschaufeln und Blättern 14 von mehreren Laufschaufeln bzw. Rotorschaufeln. Die Statorschaufeln sind in Schaufelkränzen angeordnet, zwischen den zwei Schaufelkränzen aus Statorschaufeln ist ein Schaufelkranz aus Rotorschaufeln angeordnet. Ein Pfeil 50 deutet die Bewegungsrichtung der Blätter 14 an. Stromaufwärts der Blätter 14 ist eine erste Sonde 22, stromabwärts der Blätter 14 ist eine zweite optische Sonde 24 angeordnet. Die optischen Sonden 22, 24 bilden eine Lichtschranke. Insbesondere erzeugt die erste optische Sonde 22 einen Lichtstrahl 26 in Richtung der zweiten optischen Sonde 24, der von dieser empfangen wird, wenn er nicht von einem Blatt 14 einer Rotorschaufel abgeschattet bzw. unterbrochen wird.
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Wenn die ursprünglich gleichförmig angeordneten Blätter 14 der Rotorschaufeln um eine in 4 nicht dargestellte Achse rotieren, ohne dabei zu schwingen, modulieren sie das von der ersten Sonde 22 abgestrahlte und von der zweiten Sonde 24 empfangene Licht gleichförmig bzw. periodisch. Wenn die Blätter 14 der Rotorschaufeln während der Rotation Schwingungen in umfänglicher Richtung bzw. in Bewegungsrichtung 50 ausführen, modulieren sie das von der zweiten Sonde 24 empfangene Licht unregelmäßig. Insbesondere sind die Zeitpunkte der Hell-Dunkel- und der Dunkel-Hell-Übergänge durch die Vibration verschoben. Aus einer Analyse der von der zweiten Sonde 24 empfangenen Intensität und ihrer Zeitabhängigkeit kann deshalb auf die Vibration der Blätter 14 der Rotorschaufeln geschlossen werden.
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5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen einer Vibration in einer Turbine oder einer anderen Strömungsmaschine, insbesondere eines Blatts einer Rotorschaufel. Obwohl dieses Verfahren auch an Strömungsmaschinen und mit optischen Sonden, die sich von den oben anhand der 1 bis 4 dargestellten unterscheiden, ausgeführt werden kann, werden nachfolgend zur Vereinfachung des Verständnisses Bezugszeichen aus den 1 bis 4 verwendet.
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Bei einem ersten Schritt 101 wird außerhalb eines Strömungskanals 11 Licht erzeugt. Das Licht kann monochromatisch sein oder ein Spektrum von Wellenlängen umfassen. Das Licht kann im Infrarot, im sichtbaren Bereich oder im Ultravioletten liegen. Das Licht kann von einer Laserdiode, einer anderen Leuchtdiode oder einer anderen Lichtquelle in einem außerhalb des Strömungskanals 11 angeordneten ersten Abschnitt 30 eines hohlen Schafts 28 einer ersten optischen Sonde 22 erzeugt werden. Alternativ kann das Licht an einem anderen Ort erzeugt und mittels eines Lichtwellenleiters zum Übergangsort 34 übertragen werden.
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Bei einem zweiten Schritt 102 wird das beim ersten Schritt 101 erzeugte Licht durch den hohlen Schaft 28 bzw. durch ein Lumen 29 des hohlen Schafts 28 zu einem im Strömungskanal 11 angeordneten zweiten Abschnitt 40 des hohlen Schafts 28 übertragen. Dabei kann eine Linse 32 oder ein anderes optisches Bauelement im ersten Abschnitt nahe dem Übergangsort verwendet werden.
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Bei einem dritten Schritt 103 wird das entlang des Schafts 28 übertragene Licht durch eine Öffnung 44 geleitet bzw. geworfen. Dazu kann ein Spiegel 42 oder ein anderes optisches Bauelement verwendet werden.
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Bei einem vierten Schritt 104 wird das von der Öffnung 44 ausgehende Licht durch Blätter 14 von Rotorschaufeln moduliert. Die Modulation des Lichts hängt außer von der Geometrie der Blätter 14 der Rotorschaufeln und der Anordnung und Ausrichtung der ersten optischen Sonde 22 von der Rotationsgeschwindigkeit der Blätter 14 der Rotorschaufeln und von deren Schwingungszuständen ab.
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Bei einem fünften Schritt 105 wird ein durch eine Öffnung 44 in einem zweiten Abschnitt 40 einer zweiten optischen Sonde 24 fallender Teil des beim vierten Schritt 104 modulierten Licht umgelenkt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Spiegels 42.
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Bei einem sechsten Schritt 106 wird das umgelenkte Licht durch den hohlen Schaft 28, insbesondere sein Lumen 29, in einen ersten Abschnitt 30 des hohlen Schafts 28 außerhalb des Strömungskanals 11 übertragen.
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Bei einem siebten Schritt 107 wird das Licht außerhalb des Strömungskanals 11 erfasst. Dies kann nach einer optionalen Sammellinse 32 an einem Übergangsort 34 im ersten Abschnitt 30 der zweiten optischen Sonde 24 erfolgen. Alternativ kann am Übergangsort 34 der zweiten optischen Sonde 24 eine Lichtübertrittsfläche eines Lichtwellenleiters angeordnet sein, in dem das Licht eingekoppelt wird. Der Lichtwellenleiter kann das Licht an einen anderen Ort übertragen, an dem ein Lichtsensor angeordnet ist.
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Bei einem achten Schritt 108 wird das beim siebten Schritt 107 erfasste Licht bzw. dessen Intensität ausgewertet, um eine Vibration von einem oder mehreren Blättern 14 zu erfassen. Dabei kann insbesondere eine Frequenz und eine Amplitude der Vibration erfasst werden.
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Der erste Schritt 101, der zweite Schritt 102, der dritte Schritt 103, der vierte Schritt 104, der fünfte Schritt 105, der sechste Schritt 106 und der siebte Schritt 107 können gleichzeitig oder bei Verwendung gepulsten Lichts teilweise gleichzeitig oder innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen. Der achte Schritt 108 kann unmittelbar anschließend an den siebten Schritt 107 ausgeführt werden. Alle Schritte können periodisch oder aperiodisch wiederholt oder kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich ausgeführt werden.
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Der erste Schritt 101, der zweite Schritt 102 und der dritte Schritt 103 bilden ein Verfahren zum Bereitstellen von Licht für eine optische Messung in einem Strömungskanal 11 in einer Turbine. Der fünfte Schritt 105, der sechste Schritt 106 und der siebte Schritt 107 bilden ein Verfahren zum Erfassen von Licht für eine optische Messung in einem Strömungskanal 11 einer Turbine 10 oder einer anderen Strömungsmaschine. Sie sind auch bei optischen Messungen mit lediglich einer optischen Sonde 22, 24 verwendbar. Beispielsweise kann von einer optischen Sonde 22, 24 Licht erzeugt werden, das von einer Oberfläche reflektiert oder gestreut und von der selben optischen Sonde wieder erfasst wird. Ferner kann Licht von einer optischen Sonde durch eine andere Einrichtung erfasst oder von einer anderen Einrichtung ausgehendes Licht von einer optischen Sonde 22, 24 erfasst werden.
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Bei allen beschriebenen Verfahren ist ein gleichzeitiges Spülen des hohlen Schafts 28 von einem oder ggf. beiden optischen Sonden 22, 24 bei einem neunten Schritt 109 möglich. Dies ist insbesondere bei einer optischen Sonde 24 mit luvseitiger Öffnung 44 sinnvoll, um ein Eindringen von Gas aus dem Strömungskanal 11 und eine mögliche Schädigung oder Verschmutzung insbesondere des Spiegels 42 zu verhindern. Alternativ wird eine Sonde 22, 24 periodisch mit einem Reinigungsfluid gespült, beispielsweise im Rahmen einer Wartung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbine
- 11
- Strömungskanal der Turbine 10
- 12
- Wand des Strömungskanals 11
- 13
- Blatt einer Statorschaufel
- 14
- Blatt einer Rotorschaufel
- 16
- Deckband
- 18
- Gasstrom
- 20
- Lichtschranke
- 22
- erste optische Sonde
- 24
- zweite optische Sonde
- 26
- Lichtstrahl
- 28
- Schaft
- 29
- Lumen
- 30
- erster Abschnitt des Schafts 28
- 32
- Linse
- 34
- Übergangsort
- 38
- Fluid-Anschluss
- 40
- zweiter Abschnitt des Schafts 28
- 42
- Spiegel
- 44
- Öffnung
- 50
- Bewegungsrichtung der Rotorschaufeln
- 101
- erster Schritt
- 102
- zweiter Schritt
- 103
- dritter Schritt
- 104
- vierter Schritt
- 105
- fünfter Schritt
- 106
- sechster Schritt
- 107
- siebter Schritt
- 108
- achter Schritt
- 109
- neunter Schritt
