CH698640B1 - Maschine mit Vorrichtung zur Abstandsmessung. - Google Patents

Abstract

Die Maschine besitzt einen Stator (10) und einen Rotor (23). Der Rotor (23) besitzt eine zentrale Nabe und eine mit der Nabe umlaufende Komponente, z.B. eine Schaufel. Die umlaufende Komponente hat ein erstes Ende, das fest mit der zentralen Nabe verbunden ist, sowie ein zweites Ende und einen Zwischenteil. Das zweite Ende der umlaufenden Komponente Teils ist vom Stator (10) beabstandet, um einen Spalt zu bilden. Auf dem Stator (10) oder dem Rotor (23) ist ein Geberelement angebracht. Das Geberelement gibt durch den Spalt eine Schallwelle mit einer bestimmten Frequenz ab. An dem anderen, d.h. am Spalt gegenüberliegenden Teil, d.h. dem Rotor (23) bzw. dem Stator (10) ist ein Empfängerelement (70) angebracht. Das Empfängerelement (70) empfängt die vom Geberelement abgegebene Schallwelle. Die Maschine (2) besitzt ferner eine Kontrolleinrichtung, welche die sich zwischen dem Rotor (23) und dem Stator (10) erstreckende Spaltbreite auf Basis der durch den Spalt abgegebenen Schallwellen bestimmt.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Maschine mit Vorrichtung zur Abstandsmessung zwischen beweglichen, d.h. bei Betrieb der Maschine bewegten, und statischen, d.h. bei Betrieb nicht bewegten, Teilen einer Maschine.

[0002] Bei rotierend arbeitenden Maschinen ist es häufig erforderlich, den Abstand bzw. Spalt zwischen beweglichen oder rotierenden einerseits und statischen Komponenten andererseits zu messen. Ohne einen ausreichenden Abstand kann die rotierende Komponente, d.h. der Rotor, die statische Komponente, d.h. den Stator, berühren, und solche Berührungen können insbesondere dann, wenn sie bei hoher Geschwindigkeit erfolgen, zu Beschädigungen der rotierenden und/oder der statischen Komponenten führen. In bestimmten Fällen kann die Messung des Abstandes als eine minimal invasive Prozedur durchgeführt werden. In den meisten Fällen erfordert die Abstandsmessung aber eine mindestens teilweise Demontage der Maschine.

[0003] Bei Betrieb der Maschine verändern sich Abstände zwischen ihren Teilen in der Regel als Folge von Wärme, Zentrifugalkräften und dergleichen. Demzufolge muss der statische bzw. statisch gemessene Abstand ein gewisses Mass an Toleranz haben, um allfällige Änderungen, die beim Betrieb auftreten können, zuzulassen. Erwärmung, Ermüdung oder andere Zustände können dazu führen, dass sich der Betriebsabstand zwischen beweglichen bzw. bewegten und statischen Komponenten einer Maschine ändert. Um sicherzustellen, dass die Maschine innerhalb einer gewissen Toleranz betriebsfähig bleibt, ist zur Messung und Einstellung des Abstandes eine periodische Wartung erforderlich, was in der Regel eine mindestens teilweise Demontage der Maschine erfordert und die Maschine dazu abgeschaltet und aus dem Betrieb genommen werden muss. Das Abschalten einer Maschine ist zeitaufwändig, verursacht unter Umständen erhebliche Kosten und hat demzufolge nachteilige Auswirkungen auf die Leistung einer Anlage, die den anhaltenden Betrieb der Maschine erfordert.

[0004] In manchen Fällen kann man zur Messung der Abstände zwischen den Teilen einer Turbine während des Betriebs Mikrowellen verwenden. Hierzu wird an einer beweglichen bzw. bewegten Komponente ein Mikrowellensender befestigt, während auf einer statischen Komponente ein Empfänger angebracht ist. Die vom Sender erzeugten Mikrowellen gelangen zum Empfänger und können zur Erzeugung einer Anzeige bzw. zur Messung des Abstandes ausgenützt werden. Dies funktioniert in den meisten Fällen, aber nicht immer, weil Mikrowellen durch Wasser beeinflusst werden. Wegen der Wechselwirkung zwischen Mikrowellen und Wasser ist ein auf Mikrowellen basierendes System daher zur Abstandsmessung bei Turbinen dann nicht wirklich wirksam, wenn das Betriebsfluid der Turbine einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, wie dies beispielsweise bei Dampfturbinen der Fall ist.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil des Standes der Technik zu überwinden und weitere Vorteile zu ermöglichen.

[0006] Die erfindungsgemässe Maschine ist gekennzeichnet durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen der Maschine haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 10.

[0007] Die erfindungsgemässe Maschine besitzt einen Stator und einen zugehörigen Rotor. Zwischen dem Stator und dem Rotor befindet sich ein Spalt. Die Maschine besitzt ferner mindestens einen Schallgeber und mindestens einen zugehörigen Schallempfänger. Der Schallgeber ist entweder am Rotor oder am Stator angeordnet. Der zugehörige Schallempfänger ist am jeweils anderen Teil der Maschine angeordnet, d.h. am Stator oder am Rotor. Eine Kontrolleinrichtung steht in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Schallgeber und dem mindestens einen Schallempfänger, um aus den durch den Spalt gehenden Schallwellen den Abstand zwischen Rotor und Stator zu bestimmen.

[0008] Gemäss einem Ausführungsbeispiel besitzt der Rotor eine zentrale Nabe und mindestens eine mit der Nabe umlaufende Komponente, die ein erstes, fest mit der Nabe verbundenes Ende, einen Zwischenbereich und ein zweites Ende besitzt. Das zweite Ende der umlaufenden Komponente, z.B. einer Turbinenschaufel, eines Rotors ist vom Stator durch den Spalt beabstandet. Der mindestens eine Schallgeber ist auf dem Stator oder dem Rotor angebracht. Der mindestens eine Schallgeber sendet Schallwellen mit bestimmter Frequenz durch den Spalt zu dem mindestens einen Schallempfänger, der auf dem am Spalt gegenüberliegenden Teil der Maschine, d.h. dem Rotor oder dem Stator, angebracht ist. Die mit dem mindestens einen Schallgeber und dem mindestens einen Schallempfänger in Arbeitsverbindung stehende Kontrolleinrichtung bestimmt mittels der durch den Spalt gehenden Schallwellen den Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator.

[0009] Die Erfindung ermöglicht auch ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen Rotor und Stator einer Maschine durch Erzeugung von Schallwellen bestimmter Frequenz mittels mindestens eines Schallgebers, der auf dem Rotor oder dem Stator angebracht ist. Die Schallwellen gehen durch den Spalt zu mindestens einem Schallempfänger, der an dem, am Spalt gegenüberliegenden Teil der Maschine, d.h. am Stator bzw. Rotor, angebracht ist. Der Abstand, d.h. die Spaltbreite, zwischen Stator und Rotor kann dann mittels einer Kontrolleinrichtung aus den vom Schallempfänger aufgenommenen Schallwellen bestimmt werden.

[0010] Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.

[0011] In den Zeichnungen zeigt: <tb>Fig. 1<sep>die Teilschnittansicht einer Turbomaschine mit einem System zur Bestimmung eines Abstands zwischen Rotor und Stator gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<sep>die vergrösserte Teilansicht der in Fig. 1dargestellten Turbomaschine mit der Darstellung eines Geberelementes und eines Empfängerelementes gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 3<sep>die schematische Darstellung eines Systems zur Bestimmung des Abstandes zwischen den bewegten und den statischen Teilen einer Maschine gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 4<sep>die perspektivische Teilansicht des axial äusseren Endes einer umlaufenden Komponente einer Maschine mit einem passiven Geberelement, das gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung positioniert ist; und <tb>Fig. 5<sep>die perspektivische Teilansicht der umlaufenden Komponente einer Maschine mit einem daran angeordneten passiven Geberelement gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0012] Fig. 1 zeigt die Teilansicht einer Maschine, und zwar einer Turbomaschine 2. Die Turbomaschine 2 besitzt einen Verbrennungsbereich 4 in Arbeitsverbindung mit einem Turbinenbereich 6. Der Turbinenbereich 6 besitzt einen statischen Teil, den Stator, nämlich das Aussengehäuse 10 mit einem Mantelteil 13 (Fig. 2). Der Turbinenbereich 6 besitzt mehrere Stufen 18, 19, 20, von denen jede eine entsprechende umlaufende Komponente in Form einer Turbinenschaufelkonstruktion 23, 24, 25 besitzt. Die Turbinenschaufelkonstruktionen sind jeweils im Wesentlichen gleich ausgebildet und entsprechen der folgenden Beschreibung der Konstruktion 23, wobei die übrigen Turbinenschaufelkonstruktionen 24, 25 einen analogen Aufbau haben.

[0013] Wie in Fig. 2 dargestellt, hat die Turbinenschaufel 23 eine zentrale Nabe 28, von der sich mehrere bewegliche Komponenten oder Turbinenschaufelblätter erstrecken, von denen eines als 30 bezeichnet ist. Die Turbinenschaufel 30 besitzt einen Hauptkörper 35 mit einem ersten oder axial inneren Ende 37, der über einen Zwischenbereich 39 zum zweiten oder axial aussen liegenden Ende 38 führt.

[0014] Das zweite Ende 38 ist über den Zwischenbereich 39 und das erste Ende 37 mit der zentralen Nabe 28 verbunden, wobei der Endbereich 38 vom Mantelteil 13 beabstandet ist, sodass er einen Spalt 44 definiert. Der Spalt 44 definiert einen bestimmten Abstand zwischen dem Ende 38 und dem Mantelteil 13. Während des Betriebs verändert sich der Spalt 44 durch thermische Ausdehnung der Turbinenschaufel 30 als Folge der durch die Turbine 6 hindurchgehenden Wärme. Im Verlauf der Zeit beeinflussen die Wärme und die Abnutzung der Turbinenschaufel 30 den Spalt. Wenn der Spalt zu klein wird, kann das Ende 38 den Mantelteil 13 berühren und die Turbinenschaufel 30 beschädigen. Um die Leistung der Turbomaschine 2 zu gewährleisten bzw. zu verbessern, muss der Spalt 44 innerhalb bestimmter Grenzwerte gehalten werden. Im Allgemeinen sollte der Spalt 44 möglichst klein sein, um die Effizienz zu maximieren. Es muss jedoch ein Kompromiss zwischen einem aus Effizienzgründen möglichst kleinen Spalt einerseits und der Gefahr möglicher Kontakte zwischen dem Ende 38 der Schaufel 30 und dem Mantelteil 13 angestrebt werden. Zu diesem Zweck besitzt die Turbomaschine 2 ein System 50 (Fig. 3) zur Messung des Abstandes zwischen dem Ende 38 und dem Mantelteil 13, d.h. den Spalt 44, in Echtzeit. Wie weiter unten ausführlicher erläutert, verwendet das System 50 Schallwellen bestimmter Frequenz zur Messung des Spalts 44.

[0015] Wie am besten in den Fig. 2und 3 zu sehen, besitzt das System 50 ein Sender- oder Geberelement 60, das im dargestellten Ausführungsbeispiel ein aktives Element oder ein Lautsprecher 64 ist, der benachbart zum Ende 38 der Turbinenschaufel 30 angebracht ist. Wie ausführlicher weiter unten erläutert, erzeugt der Lautsprecher 64 Schallwellen bestimmter Frequenz. Das System 50 umfasst auch ein Empfängerelement 70, das im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines am Mantelteil 13 angebrachten Mikrophons hat. Das Empfängerelement 70 kann auch (Fig. 1) die Form eines Mikrophons 76 haben, das am Gehäuse 10 angebracht ist. In beiden Fällen stehen das Empfängerelement 70 und das Geberelement 60 in Arbeitsverbindung mit einem Signalprozessor 84, der einen Filter 85 besitzt. Der Filter 85 kann ein elektronischer Filter oder ein Software-Filter sein, der so konfiguriert ist, dass er die vom Geberelement 60 abgegebene vorbestimmte Frequenz isoliert. Das gefilterte Signal wird durch eine Kontrolleinrichtung 80 geführt, die den Abstand zwischen dem Geberelement 60 und dem Empfängerelement 70 bestimmt. Nach der Bestimmung des Abstandes zwischen dem Geber- und Empfängerelement 60 bzw. 70 berechnet die Kontrolleinrichtung 80 die Grösse von Spalt 44.

[0016] Bei Betrieb rotieren die Schaufelkonstruktionen 23 bis 25 im Innern des Mantels 13. Das Geberelement 60 sendet ein akustisches Signal, das vom Empfängerelement 70 empfangen wird. Das akustische Signal wird nun zur Analyse durch den Signalprozessor 84 und der Kontrolleinrichtung 80 geführt. Die Kontrolleinrichtung 80 wertet das akustische Signal aus, um die Grösse von Spalt 44 zu bestimmen. Es versteht sich dass einige oder alle Turbinenschaufelkonstruktionen 24 bis 25 ebenfalls Geberelemente 60 und Empfängerelemente 70 aufweisen können, wie dies mit den Überweisungszeichen 94 und 96 in Fig. 2 für die Schaufelkonstruktion 24 angedeutet ist. Bei dieser Ausführungsform ist jedes Geberelement, z.B. 64, 94, so ausgebildet, dass es Schallwellen mit bestimmter Frequenz abgibt, die von der Kontrolleinrichtung 80 isoliert und einer gegebenen Turbinenschaufelkonstruktion zur Berechnung des entsprechenden Spalts zugeordnet werden.

[0017] In Fig. 4 ist ein Geberelement 102 dargestellt, das gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Wie dargestellt, besitzt der Endteil 37 der Turbinenschaufel 30 eine Ausnehmung oder einen Hohlraum 104, der eine erste Mehrzahl von Öffnungen 106 besitzt. Die Öffnungen 106 sind so ausgebildet, dass sie den Durchgang von Kühlluft aus der Turbinenschaufel 30 ermöglichen. In ähnlicher Weise ist eine zweite Mehrzahl von Öffnungen 109 längs des Hauptkörperteils 35 an einem Vorderkantenteil (nicht speziell identifiziert) der Turbinenschaufel 30 angeordnet. Eine dritte Mehrzahl von Öffnungen 110 erstreckt sich in Längsrichtung längs des Hauptkörperteils 35 an einem Teil der Hinterkante (nicht gesondert identifiziert) der Turbinenschaufel 30. Die Öffnungen 109 und 110 bieten ebenfalls einen Durchgang, der es ermöglicht, dass Kühlluft aus der Turbinenschaufel 30 austritt. In der dargestellten Ausführungsform hat das Geberelement 102 die Form eines passiven Elementes oder einer Öffnung 124, die am Endteil 37 gebildet ist. Die Öffnung 124 ist so ausgebildet, dass sie Schallwellen (pfeifend) mit vorbestimmter Frequenz erzeugt, wenn sie einem Luftstrom ausgesetzt ist. Bei der Rotation der Turbinenschaufel 30 im Turbinenteil 6 verläuft ein Luftstrom durch die Öffnung 124. Der Luftstrom erzeugt Schallwellen, die vom Empfängerelement, z.B. dem Element 74, empfangen werden. Das Empfängerelement 74 ist so ausgebildet, dass es die von der Öffnung 124 erzeugte akustische Welle «hört». Bei dieser Konstruktion besteht kein Bedarf an einer fest verdrahteten Verbindung des Geberelements 102 mit der Kontrolleinrichtung 80. Zusätzlich zu den obigen Ausführungen sollte die Kontrolleinrichtung 80 so ausgebildet sein, dass sie Kontakte zwischen der Turbinenschaufel 30 und dem Mantelteil 13 erkennt. Wenn ein Reibungskontakt erfolgt, gibt das Geberelement 102 ein akustisches Signal ab, dessen Frequenz sich von der vorbestimmten Frequenz unterscheidet. Wenn das Empfängerelement 74 die unterschiedliche Frequenz erkennt, wird ein Kontakt angezeigt.

[0018] Fig. 5 zeigt ein Geberelement 130, das gemäss einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Das Geberelement 130 hat die Form einer im Innern der Ausnehmung 104 bei den Öffnungen 106 gebildeten Öffnung. Bei dieser Ausführungsform fliesst die aus der Turbinenschaufel 30 durch die Öffnungen 106 strömende Kühlluft auch durch die Öffnung 134, um Schallwellen (Pfeifen) mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform ist nicht nur die Festverdrahtung zwischen dem Geberelement 130 und der Kontrolleinrichtung 80 unnötig, sondern kann durch die Anordnung der Öffnung 134 in der Ausnehmung 104 die materiellen Eigenschaften der Turbinenschaufel am Endteil 37 unbeeinträchtigt bleiben.

[0019] Es ist zu bemerken, dass beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung ein kostengünstiges System zur Bestimmung der Grösse eines Abstandes zwischen einem bewegten Teil und einem statischen Teil in einer Maschine ohne die Notwendigkeit einer Zerlegung bieten. Das System ermöglicht dem Betriebspersonal in Echtzeit allfällige Änderungen des kritischen Spalts zu überwachen und korrektive Massnahmen zu ergreifen, ehe der bewegliche Teil den statischen Teil berührt und dadurch von der Maschine erzeugte Leistung verbessert, in dem es Ausfallzeiten vermindert. Ausserdem wird durch die Überwachung des Abstandes in Echtzeit die mittlere Zeitspanne zwischen Wartungszyklen vergrössert.

[0020] Die Erfindung ist durch die obigen Beispiele nicht beschränkt und kann von Fachleuten anhand der Beschreibung im Rahmen der Ansprüche modifiziert werden.

Claims (10)

1. Maschine (2) umfassend: einen Stator (10); einen Rotor (23), der gegenüber dem Stator (10) drehbar angeordnet ist, wobei der Rotor (23) eine zentrale Nabe (28) und mindestens eine Komponente (29) besitzt, die ein mit der Nabe (28) verbundenes erstes Ende (37) sowie ein über einen Zwischenteil (39) mit dem ersten Ende verbundenes zweites Ende (38) aufweist, wobei das zweite Ende (38) vom Stator (10) durch einen Spalt (44) beabstandet ist; mindestens ein am Stator (10) oder am Rotor (23) angeordnetes Geberelement (60), wobei das mindestens eine Geberelement (60) Schallwellen bestimmter Frequenz durch den Spalt (44) emittiert; mindestens ein Empfängerelement (70), das an dem, am Spalt gegenüberliegenden Rotor (23) bzw. Stator (10) angebracht ist und die vom Geberelement (60) emittierten Schallwellen empfängt, und eine Kontrolleinrichtung (80) in Arbeitsverbindung mit dem mindestens einen Geberelement (60) und dem mindestens einen Empfängerelement (70), wobei die Kontrolleinrichtung (80) auf Basis der durch den Spalt emittierten Schallwellen einen Abstand zwischen dem Rotor (23) und dem Stator (10) ermittelt.

2. Maschine nach Anspruch 1, bei der das mindestens eine Geberelement (60) am Rotor (23) und das mindestens eine Empfängerelement (70) am Stator (10) angebracht ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, bei der das mindestens eine Geberelement (60) am zweiten Ende (38) der mindestens einen Komponente (29) befestigt ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, bei der das mindestens eine Geberelement (60) ein aktiv übertragendes Element (64) ist, wobei das aktive Geberelement (64) zur Abgabe einer akustischen Welle mit vorbestimmter Frequenz angeregt werden kann.

5. Maschine nach Anspruch 4, bei der das aktive Geberelement (64) ein piezoelektrischer Chip ist.

6. Maschine nach Anspruch 3, bei der das mindestens eine Geberelement (60) ein passives Geberelement (102) ist.

7. Maschine nach Anspruch 6, bei der das passive Geberelement (102) eine Öffnung (124) besitzt, die im zweiten Ende (38) der mindestens einen beweglichen Komponente (30) angeordnet ist, wobei bei Drehung der mindestens einen Komponente (30) relativ zum Stator (10) ein Luftstrom durch die Öffnung (124) strömen kann, um eine Schallwelle mit bestimmter Frequenz zu erzeugen.

8. Maschine nach Anspruch 7, bei der die Komponente (30) eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelende (37) ist, wobei die Öffnung (124, 134) im Endbereich (37) der Turbinenschaufel gebildet wird.

9. Maschine nach Anspruch 8, bei der das Schaufelende (37) eine Ausnehmung (104) mit einem Kühluftauslass (106) aufweist, wobei die Öffnung (134) in der Ausnehmung (104) am Kühlluftauslass (106) angeordnet ist, wobei die aus der Turbinenschaufel (31) durch die Öffnung (134) ausströmende Kühlluft zur Erzeugung der Schallwelle befähigt ist.

10. Maschine nach Anspruch 1, bei der die Kontrolleinrichtung (80) in Arbeitsverbindung mit einem Signalprozessor (84) steht, der mindestens einen elektronischen Filter (85) und/oder einen Softwarefilter (85) zur Verbesserung des vom Geberelement (60) abgegebenen Signals besitzt.