DE2448219A1

DE2448219A1 - Verfahren zur automatischen beruehrungslosen hoehenmessung sich bewegender schaufeln von turbinen

Info

Publication number: DE2448219A1
Application number: DE19742448219
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1976-04-22
Also published as: NL7510951A; IT1043171B; GB1528132A; FR2287677B1; FR2287677A1; US4053227A; BE834348A; JPS5164948A

Description

Verfahren zur automatischen berührungslosen Höhenmessung sich bewegender Schaufeln von Turbinen

Die vorliegende Erfindimg betrifft ein Verfahren zur automatischen berührungslosen Höhenmessung sich bewegender Schaufeln von Turbinen.

Die Schaufelhöhen am Rotor von Gas-Dampfturbinen, Verdichtern u.dgl. müssen aufgrund der geringen geforderten Toleranzen im Betrieb vermessen v/erden, wenn sie sich durch die Zentrifugalkraft festgesetzt haben. Bislang war es nur möglich, beim ruhenden Rotor nach Festsetzen jeder einzelnen Schaufel ihre Höhe manuell zu vermessen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Schaufelhöhen mit schneller Meßfolge und kurzer Meßzeit anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufg'abe wird vorgeschlagen, daß auf die Schaufeln ein ablenkbarer Laserstrahl gerichtet v/ird, daß die Drehgeschwindigkeit der Turbine mit der Ablenkfrequenz, des Laserstrahls synchronisiert x/ird und daß die von den einzelnen Schaufeln reflektierten Lasersignale einer Auswerteelektronik zugeführt werden*

Vorteilhafterweise v/ird die durch die Schaufelzahl und der Drehgeschwindigkeit bestimmte Schaufelfrequenz mit einer Induktionssonde oder einer Lichtschranke gemessen, wonach das Moßsignal nach Verstärkung einem Frequenzumsetzer zugeführt v/ird, indem die Schaufslfroquenz auf die Ablenkfrequenz

VPA 9/710/5006 UIl/Kow

—2—

60981 7/0527

des Laserstrahls umgesetzt wird.

Wahlweise ist es möglich, alle Schaufeln der Turbine während einer Umdrehung bei bestimmter Drehgeschwindigkeit mittels einer Zählschaltung zu vermessen oder nur eine einzige Schaufel mittels einer Zählschaltung und eines Meßwertimpulsumsetzers.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispiels~ weise beschrieben; es zeigen:

Figur 1 eine schematische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 2 den Strahlenverlauf zur Ermittlung der Abbildungsgeschwindigkeiten, die

Figuren 3 und 4 die Zusammenhänge zwischen Laserstrahldurchmesser und Schaufelabstand und

Figur 5 ein Blockschaltbild der gesamten Vermessungsanordnung.

In den Figuren ist mit 1 eine kohärente Lichtquelle, d.h. ein Laser bezeichnet, dessen Lichtstrahl von einem Lichtablenker in verschiedene Richtungen abgelenkt werden kann. Mit 3 ist die für die grafische Darstellung von Figur 1 erforderliche Nullebene, mit 4 die Meßebene und mit 5 die Meßgrenze bezeichnet, Der von der Meßebene 4 reflektierte Laserstrahl, der mit der Bezugsvertikalen 6 den Winkel β einschließt, wird von einer Linse 9 durch die Öffnung einer Blende 8 hindurch auf eine Fotodiode 7 gerichtet.

Soll nun die Höhe jeder einzelnen Schaufel am Rotor einer Turbine vermessen werden, so muß die Turbine folgende Drehzahleinhalten s *.

η = ~-JL . 60 (1)

wobei mit f die Ablenkfrequenz des Laserstrahlablenkers 2, der beispielsweise ein piezoelektrischer AbI onker sein kann und mit m die Schaufolzahl in einer Stufe bezeichnet sind.

VFA 9/710/5006 . ~3»

60981 7/0527

Wenn man mit einer Induktionssonde oder mit einer Lichtschranke für jede Schaufel 11, 21, 31, 41, die einen bestimmten Punkt im Raum passiert, einen Impuls erzeugt, erhält man eine Impulsspannung U der Frequenz

wobei mit f die Schaufelfrequenz bezeichnet ist. s

Um jede Schaufel vermessen zu können, muß folgende Bedingung erfüllt werden

wobei k = 1, 2, 3 ... ist.

Angenommen, daß ein unendlich dünner Laserstrahl ein einer zur Drehachse parallelen Ebene abgelenkt v/ird, steht für die Messung der Schaufel nur die Zeit

' t_e. Λ*. (4)

zur Verfügung, wobei ei die Schaufeldicke und

v_u = -^a (5)

die DrehgesclTwindigkeit ist.

D_n ist dabei der Gesamtdurchmesser des Turbinenrotors.' Die benötigte Meßzeit für die Bildung des Meßimpulses in der Fotodiode 7 ist

s, · ist die Spaltbreite der Blende 8 und ν ist die Geschwindigkeit mit der sich der abgebildete

VPA 9/710/5006 -4-

, 60981 7/0527

Laserstrahllichtfleck über die Fotodiode 7 bewegt. Dann gilt: v_D = 4 f_A ]T_Q A | cos β (7)

Dabei ist:

der maximale Ablenkwinkel des Laserstrahls,

A der Abstand zwischen der Nullebene 3 und dem Laserstrahlablenker 2,

a der Abstand zwischen Abbildungslinse 9 und dem Lichtfleck 2 G. b der Abstand zwischen der Linse 9 und dem Fleckbild 2 B^ und β der Abbildungswinkel (Fig. 2).

Die Meßzeit t für die Bildung des Meßimpulses muß kürzer sein

als die Zeit t in der sich die Schaufel im Laserstrahl befindet, s

(8)

Wenn der Laserstrahl als unendlich dünn angenommen wird und wenn der Laserstrahl bei ^eder neuen Ablenkung immer die nächste Schaufel abtasten soll, dürfen sich,bei der periodischen Ablenkung, die Abstände 1 zwischen den einzelnen Schaufeln 11, 21, 31, 41 höchstens um die Schaufeldicke J unterscheiden (Fig. 3)

n= 1, 2, 3 ···

Da die Bedingung (9) in der Praxis nicht immer erfüllbar ist, muß der Laserstrahldurchmesser d, auf den abstandsfehler vergrößert werden ( Fig. 4)

muß der Laserstrahldurchmesser d, auf den zu erwartenden Schaufel-

η = 1, 2, 3...

VPA 9/710/5006 -5-

609817/0527

2 A A 8 219

Figur 3 zeigt, daß bei kleinem Laserstrahldurchmesser d^ die Schaufel 31 bei periodischer Abtastung mit dem Laserstrahl nicht abgetastet werden kann, da die Abstandsdifferenz 1„ - l_o > d_T ist. Die Schaufel 31 könnte man in diesem

\ C. Jb

Fall nicht vermessen. Wenn man aber den Laserstrahldurchmesser auf d_T T* 1 - 1 „ vergrößert, trifft der Laserstrahl Xj η η+1

auch die Schaufel 31 und somit kann auch die Schaufel 31 vermessen werden. Für die zuverlässige Vermessung der einzelnen Schaufeln müssen sowohl Gl.3 als auch Gl.10 erfüllt werden.

Die Bedingung (f. = k f ) in Gl.3 kann man mit einem Regelkreis kontrollieren und halten, wie er in Figur 5 dargestellt ist. Die Schaufelfrequenz f als Funktion der Schaufelzahl m und der Umlaufgeschv/indigkeit ν wird mit einer Induktionssonde oder einer Lichtschranke 18 gewonnen. Das Signal U_ mit der Schaufelfrequenz f wird im Verstärker 19 verstärkt und dem Frequenzumsetzer 20 zugeführt. In dem Frequenzumsetzer wird die Schaufelfrequenz f_e auf die Ablenkfrequenz f^ umgesetzt. Das Verhältnis f_A : f wenn f <*- f. ist oder f : f.

As s A s A

wenn f '?· f. ist,muß immer eine ganze Zahl k = 1, 2, 3» 4

S A

sein. Mit dem Phasenkorrekturglied 22 wird das Laserstrahlabtastzeitintervall eingestellt. Der Laserstrahl und die Schaufelscheitel müssen sich zur gleichen Zeit auf der Achse der Abbildungsoptik treffen (Punkt 2 in Figur 1). Die eingestellte Phase ^!f und die Frequenz f_ werden in einem Phasendiskriminator 23 mit dem AbIenksteuersignal der Frequenz f. verglichen.

Wenn., sich der eingestellte Wert durch Drehzahländerung des Rotors 28 verändert, entsteht auf dem Ausgang des Tiefpaßfilters 15 eine positive oder negative Gleichspannung«, Die Polarität der Spannung richtet sich danach, ob der Drehzahlwert überschritten oder unterschritten worden ist. Dieses Drehzahlkriterium kann für die Drehzahlregelung des Rotorantrieb ß benutzt werden. Das Signal V_p wird in einem Regelverstärker 14 auf die Werte verstärkt, die man im Motordrehzahl-

VPA 9/710/5006 -6-

BAD ORIGINAL

-609817/0 527

regler 13 benötigt, um die Schaufelfrequenz des Rotors 28 mit der Ablenkfrequenz des Laserstrahls zu synchronisieren. Die Meßsignale der Lasermeßsonde 7 werden der Auswerteelektronik 16 zugeführt. Die Meßwerte erscheinen in Form einer von der Schaufelhöhe abhängigen Impulsdauer.

Nach Jeder Umdrehung des Rotors 28 kann eine erneute Vermessung der Schaufeln stattfinden, wenn die Schaufelfrequenz um ein ganzzahliges Vielfaches kleiner oder gleich der Ablenkfrequenz des Laserstrahls ist. Der Zählanfang und die Zahl der Wiederholungen kann mit einer seitlich an den Rotor angebrachten Marke in Verbindung mit einer Lichtschranke 17, einem Verstärker 27 und einer Zählschaltung 24 registriert v/erden. Will man bei jeder Umdrehung nur eine Schaufel betrachten, läßt sich das mit der Zählschaltung 24 erreichen. Nach jeder Umdrehung wird die Zählschaltung mit dem Impuls von der Lichtschranke 17 neu gestartet. Durch die Einstellung der Zählschaltung 24 wird bestimmt, von welcher Schaufel der Meßwert in den Meßwertimpulsumsetzer 25 geholt und der Anzeige 26 übermittelt wird. Die Messung nur einer Schaufel bei einer Umdrehung stellt geringere Ansprüche an das Anzeigegerät und der Meßwert der gemessenen Schaufel läßt sich nach einigen Wiederholungen gut mitteln.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, sowohl alle Schaufeln eines Rotors von Gas-, Dampfturbinen oder Verdichtern innerhalb einer Umdrehung bei bestimmter Drehzahl des Rotors als auch nur eine bestimmte Schaufel nach jeder Umdrehung berührungslos, automatisch und schnell zu vermessen.

4 Patentansprüche

5 Figuren

VPA 9/710/5006

6098 17/0 527

Claims

2U8219

-7-

Patentansprüche

Verfahren zur automatischen berührungslosen Höhenmessung sich bewegender Schaufeln von Turbinen, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Schaufeln ein ablenkbarer Laserstrahl gerichtet wird, daß die Drehgeschwindigkeit der Turbine mit der Ablenkfrequenz des Laserstrahls synchronisiert wird und daß die von den einzelnen Schaufeln reflektierten Lasersignale einer Auswerteelektronik zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schaufelzahl und die Drehger schwindigkeit bestimmte Schaufelfrequenz mit einer Induktionssonde oder einer Lichtschranke gemessen wird und daß das Meßsignal nach Verstärkung einem Frequenzumsetzer zugeführt wird, in dem die Schaufelfrequenz auf die Ablenkfrequenz des Laserstrahls umgesetzt wird.
3« Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß alle Schaufeln der Turbine während einer Umdrehung bei bestimmter Drehgeschwindigkeit mittels einer Zählschaltung und eines Meßwertimpulsumsetzers vermessen werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß nur eine einzige Schaufel während einer Umdrehung bei bestimmter Drehgeschwindigkeit mittels einer Zählschaltung und eines Meßimpulsumsetzers vermessen wird.
VPA 9/710/5006
6 09817/0527