CN1285881C

CN1285881C - 测量参考面旁边通过的部件与参考面间距离的方法及系统

Info

Publication number: CN1285881C
Application number: CN200310120198.9A
Authority: CN
Inventors: 约辰·卢彻; 尤维·法伊弗
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: US20040114154A1; ES2330998T3; EP1429155A1; JP2004191374A; CN1506654A; DE50213746D1; JP4429705B2; EP1429155B1; US7027166B2

Abstract

本发明公开了一种测量在参考面(2)的旁边运动的部件(4)与该参考平面(2)之间的距离(S)的方法，该方法特别适于测量透平的径向间隙，而且具有特别高的测量精度，为此本发明提出一种将三角法测量与参考测量相结合用于确定部件(4)的实际速度的方法。在这种情况下，监测两束被调整为彼此基本平行的光束(10、14)和至少另一束被调整为沿部件(4)运动方向与所述的平行光束(10、14)成一角度的光束，以获得由所述部件(4)引起的相应的各反射信号，利用与所述平行光束(10、14)相应的反射信号到达的时间之间的时间差及与所述平行光束(10)之一和所述成角度的光束(12)相应的反射信号到达的时间之间的时间差两者确定距离(S)的特征值。

Description

测量参考面旁边通过的部件与参考面间距离的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种测量运动通过参考表面旁边的部件与该参考面之间的距离的方法，具体地说，涉及测量旋转的涡轮机叶片的径向间隙的方法。本发明还涉及实现该测量方法的系统，具体地说，还涉及测量涡轮机中的径向间隙的系统。

背景技术

在很多技术领域利用涡轮机驱动发电机组或作功机械。在这种情况下，流动介质的能量例如通过燃料燃烧产生的燃烧气体通常用来产生涡轮机轴的旋转运动。此时，通常将组合成叶片组或叶片排的多个动叶片安装在涡轮机轴上，以便使涡轮机轴产生旋转运动，并且借助来自流动介质的冲击式传送(impulse transfer)驱动涡轮机轴。而连接在涡轮机壳体上的静叶片排通常配置在相邻的动叶片排之间，以便将流动的介质导入涡轮机组中。

除了大量的其它运行参数外，对所谓径向间隙进行可靠监测对涡轮机等的运行是很重要的。术语“径向间隙”在此是指在每个动叶片的自由端与包围动叶片的涡轮机内壳体之间的距离。一方面，为了达到实际的高涡轮机效率的设计目的，该径向间隙应尽可能小，从而使流动介质流过涡轮机中的动叶片排而进行能量转换，而不通过间隙流过动叶片进行任何能量转换。而另一方面，由于操作安全的原因，防止在燃气轮机的动叶片端部与内壳体之间的任何直接接触在一切情况下都是头等重要的事情。在这种情况下，应该特别指出的是，在燃气轮机使用期间，动叶片可能因受热而使长度增长，因为在燃气轮机中可能出现高达1200℃的相当高的工作温度，这将使径向间隙变得比在静止时小，因此需要定期对涡轮机中径向间隙进行常规测量和检查或至少进行抽样检查。

因此，人们期望提供一些用于测量和监测涡轮机中的径向间隙的构思。这些构思应该这样考虑：为了防止对涡轮机的无摩擦运动的不利影响而应不接触。为此，可以将所谓三角测量法用于不能接触的构思中，按照该构思，可通过光学手段检测径向间隙或通常所说的检测运动通过参考面旁边的部件与该参考面间的距离。在三角测量法的情况中，例如使两束光从参考表面相互成一个角度传输，以使这两束光在被部件的运动方向和参考面的法线限定的平面的投影中在比在参考面后面的待测量的最大的期望距离长的距离上相交。这样，这两束光的光束路径在所述投影中形成以参考面的截面作为底的三角形，此时，可以特别选择光路，以使这个三角形是一个等边三角形。在这种情况下，通过监测每束光确定待测量的部件例如它前缘是否正通过相应光束来进行所述测量，例如可以光势垒(light barrier)的形式或通过与相应的光束有关的反射信号来进行这种测量。

因此，这种构思能用两束光测量部件遮断或进入光路的时间。如果光束的几何形状是已知的，部件的运动速度也是已知的，则可以用部件通过这两束光之间测得的时间差确定该部件在这两束光之间通过的特征长度，而在这种情况下，可以根据光路把所述特征长度转换成该部件与参考面之间的距离。

然而，可靠地应用一种构思(例如用于测量涡轮机中的径向间隙这种情况)通常与测定的复杂程度较高有关，但在这种情况下却限制了达到的精度。另外在涡轮机工作期间产生的振动还将极严重地影响测量精度，因而限制了这种系统的可靠性。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题之一是提供一种测量运动通过参考面旁边的部件与该参考面之间的距离的方法，该方法特别适合于测量涡轮机中的径向间隙，并且具有特别高的精度。另一要解决的技术问题是提供一种适于实现该方法的系统。

关于所述方法，按照本发明下面的描述可解决上述问题：监测被调整为彼此基本平行的两束光以及至少另一束在部件的运动方向调整为与上述平行光束成一角度的光束，以获得由该部件引起的各相应的反射信号；一方面利用与两平行光束相应的反射信号的到达时间之间的时间差、另一方面利用与两平行光束中之一相应的反射信号和与所述成角度的光束或两束成角度的光束相应的反射信号的到达时间之间的时间差确定所述距离的特征值。

在这种情况下，本发明的构思的基础是应使所述确定距离的方法与涡轮机中正常出现的边界条件达到相应吻合。具体地说，在这种情况下，应该尽可能地考虑涡轮机叶片的局部速度可能因涡轮机运行期间振动或其它波动而改变这个事实。因此，当应用以三角法原理为基础的光学测量方法时，应该假设，对于特别高的测量精度而言，涡轮机叶片相对涡轮机内壁的运动速度不是恒定的，也就是说，部件相对于参考面的运动速度不是恒定的。事实上，对这类测量方法应该这样构思：即使部件的运动速度波动也不会使测量结果不可靠。为了能做到这一点，根据三角法的必要的测量思路通过测定部件相对参考面运动的当前的实际速度的参考测量进行补充测量，所述两平行光束是用于这个目的，并且可以通过测量部件通过各自相应的光路的且与部件和参考表面间的距离无关的时间，能获得关于部件相对参考面的当前的实际速度。然后以此为基础估计所述时间差，也就是说，把从彼此成角度的两束光测定的时间差转换成部件通过的距离。

按照这种构思，通过参考测量来补充三角法测量，以便能考虑部件运动的实际速度确定距离特征值，可以用三束、四束光，或根据需要甚至可以用更多束光。当应用三束光时，其中的两束光彼此平行，以便使部件通过这些光束的行程产生时间差，所述的时间差的特性是与部件当前的运动速度有关而与部件和参考面的距离无关。此时，第三束光与所述平行光束成一角度，从而可以使此束光与两平行光束之一结合用在传统的三角法测量方式中。当用四束光时，可以用两束调整为彼此平行的光束进行参考测量，在这种情况下，另外两束光可以按传统的三角法测量方式调整为彼此成一角度。

具体地说，该测量方法能够获得多个用于部件和参考面之间相应距离的正确的特征值，这些特征值与可能发生的任何振动或部件当前运动中的速度的波动无关。优选将所述方法用在评价过程(evaluation process)中，根本不需要考虑部件的期望的速度，只需根据所述两个时间差之比确定距离的特征值。

为了能可靠地确定待评价的时间差(time differences to be evaluated)，在另一优选的改进方式中，该测量方法被用于使由部件产生的那些反射信号与各光束可靠地相应。为此，优选使用的每束光具有不同波长，以便通过评价根据选择的波长上的反射信号使每个反射信号可以唯一地与一束光相应。

关于测量系统，借助一个光源和具有一个相应的评价单元(evaluatedunit)的检测器可达到上述目的，其中所述光源用于产生至少两束被调整为彼此基本平行的光束和至少另一束在部件运动方向调整为相对所述平行光束成一角度的光束，该光源具有用于检测由部件引起的与每束光相应的反射信号的检测器；所述具有评价单元的检测器一方面根据与所述平行光束相应的反射信号到达时间之间的时间差，另一方面根据与所述平行光束之一和所述成角度的光束或两束成角度的光束相应的反射信号到达时间之间的时间差来确定距离特征值。

在这种情况下，有用的是将该测量系统设计成使评价单元根据所述的时间差的比值确定距离特征值。另外，为了使所述反射信号与所述光束可靠地对应，在一个可供选择的或附加的优选实施方式中，所述光源具有多个与光束数目相对应的光发生器，并且使这些光发生器在每种情况下由它们发出的光的波长彼此不同。

为了将该测量系统用于较恶劣的环境条件下或很难进入的地方，例如用于监测涡轮机的径向间隙时，所述功能部件例如光源和检测器最好是与使用的实际地点在空间上分离开，也就是说，特别是与参考面分开。为了能这样做，光源最好是通过光波导系统与配置在参考面上的光出口和入口相连。在另一优选的改型中，检测器也以类似这种情况的方式通过光波导系统连接到光出口和入口。

为了能以特别简单的方式在提供调整为彼此平行的两束光的同时提供调整为相对所述两平行光束成一角度的光束，当用一个如上所述的光波导系统时，在又一优选的改型中，该光波导系统配置有一透镜构件，尤其是在光出口和入口区配置一凸透镜。

所述光波导系统最好是具有多根排列在一个共同壳体内的光纤，光纤的数量与光束的数量相等。

该测量系统优选用于监测涡轮机的径向间隙。

具体地说，本发明的优点是：将基于三角法原理的距离测量和参考测量组合，即使在部件运动速度发生波动或变化的情况下也能高精度地确定通过所述参考面旁边的部件的距离特征值。因此，本发明提供的方法和用于完成该方法的测量系统特别适合用于监测涡轮机中的径向间隙。

另外，由于利用光学测量原理，本测量系统可以在所有温度下例如从0℃到450℃的温度范围以同样高的精度监测涡轮机中的径向间隙。使用光源和检测器与参考面光耦合的光波导可使测量系统特别紧凑地构成在参考面的区域内，因此，采用具有外径例如最大为7.2mm的标准化的孔即使在相当复杂的机械系统中使用也不受限制。参考测量的考虑还能使该测量系统被大量使用，即使使用期限相当长，也不需要进行任何校准，在这种情况下，只需要在系统第一次投入使用时为了可靠地确定测量值而进行校准，以精确地确定光束几何构形。只要确定了所述光束的几何构形，就不需对测量系统的特征运行参数作任何其它再修正。

附图说明

下面将参照附图更详细地说明本发明的示例性实施方式。

图1示意地表示用于确定通过参考面旁边的部件与该参考面之间的距离的测量系统；

图2表示图1中所示的测量系统的一种可供选择的实施方式；

图3表示图1或图2中所示的测量系统的测量头的平面图；

图4表示用于图3中所示的测量头的带有光纤的光束系统的平面图。

具体实施方式

附图中相同的部件用相同附图标记表示。

图1中所示的测量系统1用于确定通过参考面2旁边的部件4与该参考面2之间的距离。部件4的运动方向被调整为基本上平行于参考面2延伸的、并用箭头6表示的平面，此处具体地说，该部件是图中未示出任何细节的涡轮机的动叶片，在此，参考面2例如是涡轮机的内部覆层。在这种情况下，测量系统1被用于用等于涡轮机中的径向间隙的距离S监测涡轮机中的径向间隙。

原则上，本测量系统1采用基于称之为三角法的原理。在这种情况下，在由图1中所示的示例性实施方式中，使用一第一光束10和一第二光束12，在部件4的运动方向看，将第二光束12调整为与第一光束10成一角度。在图1所示的投影中，光束10、12在焦平面13上相交。在这种情况下，焦平面13与参考面2之间的距离X0决定了最大的可测量范围，在该范围内可以确定距离S。

为了确定距离S，监测光束10、12以得到由部件4引起的反射信号。具体地说，只要部件4由于运动而进入光束10或12的光路，部件4分别反射光束10或12，在这种情况下可以检测以这种方式产生的反射信号。于是，可以以光势垒的形式确定部件4分别通过光束10、12的光路的时间。在图1中，从其运动方向看，这个时间为部件4通过第一光束即通过光束12那一刻的时间。此时间在图1中用t₀表示。

当部件4进一步运动时，它的前缘以稍后的时间t₁通过光束10的光路。于是，部件4行进了时间t₁与t₀之间的距离y。现在可以根据部件4通过的距离y由下式确定该距离S的特征值。

y＝v·(t₁-t₂)

式中v是部件4的运动速度。如果光束12相对于光束10的倾角α是已知的，则部件4的前面与焦平面13的距离X就可以(在此情况下，假设光束10以直角射到部件4上)由下式得出：

x = \frac{v \cdot (t_{1} - t_{0})}{\tan α}

如果该几何构形已知，利用下述关系式，距离的特征值S可以根据时间差t₁-t₀确定：

s = x_{0} - \frac{v \cdot (t_{1} - t_{0})}{\tan α}

然而，一般的如这种三角法原理的缺点是所述评估直接取决于部件4的运动速度v。具体地说，在该参数波动的情况下，按这种构思所具有的精度将受到限制。为了补偿这些误差现在设计了尤其能用于高精度地测量涡轮机的径向间隙的测量系统1。为此，通过参考测量补充测量系统1中的三角法因素(triangulation element)，该参考测量使距离S的确定与部件4运动的实际速度v无关。

为此，提供另一束光14，将该光束14调整为基本平行于首先提到的那束光10。在图1所示的示例性实施方式中，沿部件4运动方向看，所述光束14被安排在光束10、12的后面的位置。当然，在这种情况下，也可以按期望的空间进行配置。因此，本测量系统1一方面具有由光束10、12形成的会聚光路，另一方面具有由光束10、12之一和光束14形成的同轴光路。

在图1所示的示例性实施方式中，部件4的前缘在时间t₂通过光束14，以便可以在这时检测与光束14相应的反射信号。因为光束10、14是平行的，所以在与光束10和光束14相应的反射信号之间(可测量)的时间差由下式得出：

t_{2} - t_{1} = \frac{d}{v}

式中d是沿部件4的运动方向看的光束14、10之间的距离。距离S可以根据时间差t₂-t₁，利用下式得出：

S = X_{0} - \frac{d}{\tan α} \cdot \frac{t_{1} - t_{0}}{t_{2} - t_{1}}

这样不必考虑运动部件14的速度v的测定值。

为了产生光束10、12、14，测量系统1包括一具有多个光发生器18的光源16。在这种情况下，每个光发生器18分别与光束10、12、14中的一束光相应。测量系统1还包括一个与评价单元22相连的检测器单元20。在这种情况下，检测器单元20测定部件4引起的反射信号到达的时间。此时，通过光束10、12、14之一在部件4的表面上反射产生反射信号，以使被检测的反射信号的时间相应于部件4在与各有关的光束10、12、14中到达的时间。

为了使各反射信号分别与各束光束10、12、14相应，将各光发生器18设计成发出不同波长的光，并指定检测器20根据选定波长对接收到的信号进行评价。这样可以使各反射信号与各束光束10、12、14在检测器20中相关联，以便总能确定部件4进入各光束10、12或14的时间。把用这种方式获得的多个光束特定时间特征值(light-beam-specific time characteristicvalues)传送到评价单元22，在评价单元22中，根据已知的几何值确定距离S的特征值。

为了使测量系统1能应用到非常难进入的地方和恶劣的环境中，例如用于透平的径向间隙测量中，有源部件例如光源16和检测器20与参考面2在空间上不耦联。为此，光源16和检测器20通过光波导系统24与配置在参考面2上的出口和入口26相连。在这种情况下，光波导系统24按下述要求配置在光出口和入口26的区域上：首先，能使光束10、14基本上彼此平行地出射，第二，能使光束12相对于光束10、14基本上以一角度地出射。为此，在光波导系统24的光出口和入口26区域内设置一透镜构件28，该透镜构件28使光束10、14基本上以直线通过，而只有光束12弯曲。

图1的示例性实施方式示出将三角法测量与参考测量结合的构思，在该示例性实施方式中，总共用三束光10、12、14，光束10既用于三角法测量，又用于参考测量。在图2中所示的另一示例性实施方式中，虽然在测量系统1′中再次采用三角法测量与参考测量的结合，但是为这两种测量提供完全不同的光束，在图2所示的优选实施例中，提供四束光，其中两束被调整为彼此基本平行的光束40、42用于进行参考测量，而沿部件4的运动方向看两束与光束40、42成一角度的光束44、46被用于进行三角法测量。这样测量系统1’一方面具有一由光束44、46形成的双会聚光路，另一方面具有一由光束40、42形成的同轴光路。

如图2所示，部件4的前缘在时间t₀通过光束40的光路，在时间t₁通过光束44的光路，在时间t₂通过光束46的光路，在时间t₃通过光束42的光路。当然，在这种情况下，这些时间的实际顺序以及光束40、42、44、46的空间位置也可相对改变。

在图2所示的测量系统1′的配置中，距离S的特征值可以根据下列关系式求出：

S = X_{0} - \frac{d}{2 \cdot \tan α} \cdot \frac{t_{2} - t_{1}}{t_{3} - t_{0}}

当然，在图2所示的优选实施方式中，透镜构件28应按下述要求设计：能够使光束40、42基本上以直线通过参考面2，而光束44适当地弯曲。

图3是在参考面2上的光波导系统24的出口区的实例的平面图。在这个示例性实施方式中，具有与光束数量相应的光纤的光束系统52、54、56、58排列在共同的壳体50的内部。在这种情况下，光束系统52、54用于提供传递用于三角法测量的光束。据此，它们的出口区由透镜构件28遮盖，该透镜构件在这个区域形成为凸透镜的形状。与此相反，光束系统56、58被设计成传送用于参考测量的光束，而它们的出口区能使相应的光束基本上成直线出射。

图4表示一个单光束系统52的结构。在这种情况下，有源纤维60配置在光束系统52的中心区，并且被光纤准直管62包围。另一方面，在外部区配置一些无源光纤64，它们可以具有或不具有各自相应的准直管。

Claims

1.一种测量在参考面(2)的旁边运动的部件(4)与该参考面(2)之间的距离(S)的方法，其中，监测两束被调整为平行光束(10、14、40、42)和至少另一束被调整为沿所述部件(4)的运动方向与所述平行光束(10、14、40、42)成一角度的光束(12、44、46)，以获得由所述部件(4)引起的相应的各反射信号；利用与所述平行光束(10、14、40、42)相应的反射信号到达的时间之间的时间差(t₁-t₀)及与所述平行光束(10、14、40、42)之一和所述成角度的光束(12、44、46)或两束成角度的光束(12、44、46)相应的反射信号到达的时间之间的时间差(t₂-t₁)确定所述距离(S)的特征值。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述距离(S)的特征值根据时间差(t₂-t₁、t₁-t₀)的比值确定。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对每束光(10、12、14、40、42、44、46)使用具有不同波长的光。

4.一种用于实现权利要求1至3中任一项所述的方法的测量系统(1、1′)，该系统包括：一个用于产生至少两束被调整为平行光束(10、14、40、42)和至少另一束被调整为沿部件(4)的运动方向与所述平行光束(10、14、40、42)成一角度的光束(12、44、46)的光源(16)；和一个用于检测与所述光束(10、12、40、42、44、46)之一相应的并由部件(4)引起的反射信号的检测器(20)，该检测器(20)具有一个相关的评价单元(22)，该评价单元(22)根据所述平行光束(10、14、40、42)相应的反射信号的到达时间之间的时间差(t₁-t₀)及所述平行光束(10、14、40、42)之一和所述成角度的光束(12、44、46)或两束成角度的光束(12、44、46)相应的反射信号到达时间之间的时间差(t₂-t₁)两者确定距离特征值。

5.如权利要求4所述的测量系统(1、1′)，其中，所述评价单元(22)根据所述的时间差(t₂-t₁、t₁-t₀)的比值确定所述距离特征值。

6.如权利要求4或5所述的测量系统(1、1′)，其中，所述光源(16)包括多个与光束(10、12、40、42、44、46)的数目相应的光发生器(18)，这些光发生器所产生的光的波长彼此不同。

7.如权利要求4至5中任一项所述的测量系统(1、1′)，其中，所述光源(16)通过光波导系统(24)与配置在参考面(2)上的光出口和入口(26)相连。

8.如权利要求7所述的测量系统(1、1′)，其中，所述检测器(20)通过光波导系统(24)与所述光出口和入口(26)相连。

9.如权利要求7所述的测量系统(1、1′)，其中，在所述光波导系统(24)上设置一透镜构件(28)，在光出口和入口(26)区域内设置该透镜构件(28)。

10.如权利要求7所述的测量系统(1、1′)，其中，所述光波导系统(24)具有配置在共同壳体(50)内部并且与光束(10、12、40、42、44、46)的数目相应的光束系统(52、54、56、58)。

11.如权利要求9所述的测量系统(1、1′)，其中，所述透镜构件(28)为凸透镜。

12.一种如权利要求4至11中任一项所述的测量系统(1、1’)的应用，其中，用于监测涡轮机中的径向间隙。