Eine
Turbomaschine kommt beispielsweise zur Stromerzeugung zum Einsatz
und ist Teil einer Kraftwerksanlage, die zumindest einen stromerzeugenden
Generator aufweist, der mit zumindest einer Turbine gekoppelt ist.
Damit wird aus Wärme
oder kinetischer Energie elektrische Energie erzeugt. Turbomaschinen
bestehen im wesentlichen aus zumindest einem Gehäuse, und zumindest einem Rotor, der
um eine ortsfeste Achse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist wiederum
aus mehreren Rotorkomponenten aufgebaut.
Für die Entwicklung,
die Konstruktion, den Bau und die Instandhaltung grosser Turbomaschinen kann
auf eine direkte Messung des thermischen und dynamischen Verhaltens
dieser Komponenten des Rotors nicht verzichtet werden. Derartige
Rotorkomponenten bestehen neben dem genuteten Rotorgrundkörper aus
einer Vielzahl von in den Rotornuten angeordneten Bauteilen, wie
Schaufeln, elektrischen Leitern und Nutenkeilen, welche mit ihrer
Keilform eine Sicherung gegen die im Betrieb des Rotors auftretende
Zentrifugalkraft bieten, Haupt- und Abschlussisolationen sowie zusätzliche
Konstruktionsmerkmale wie Dämpferwicklungen,
Kriechsperren, Ausgleichsstreifen und Federn.
Berechnungsmethoden,
Simulationsmethoden und numerische Modellbildungen bieten bei der Entwicklung
derartiger Turbomaschinen keine allein ausreichende Vorhersage über das
tatsächliche
thermische und dynamische Verhalten, da die Rotorkomponenten aus
einer Vielzahl von Einzelkomponenten bestehen, die aus unterschiedlichen
Materialien gefertigt sind und somit materialabhängige Wärmeausdehnungskoeffizienten
sowie Elastizitätsmodule
aufweisen und sich zudem gegenseitig thermisch beeinflussen. Sowohl
im stationären
als auch im instationären
Betrieb von Turbomaschinen kommt es infolge von Wärme – und/oder
Fliehkrafteinwirkung zu erheblichen Beeinflussungen der Rotorkomponenten, deren
rechnerische Vorhersage nur schwer oder gar nicht möglich ist.
Verschiebungen der einzelnen Rotorkomponenten zueinander bewirken
wiederum eine dynamische Lagebeeinflussung des Rotors, was Maschinenschwingungen
und Komponentenvibrationen zur Folge hat. Turbomaschinen können daher
sowohl vorübergehende
und im stationären
Betrieb auch dauerhafte Vibrationen aufweisen. Derartige Vibrationen
müssen
innerhalb bestimmter durch den Hersteller zu garantierender Grenzwerte
bleiben, welche einerseits durch internationale Standards empfohlen werden
und andererseits die Betriebssicherheit der Maschinen gewährleisten
müssen.
Allgemein
bekannt sind Messmethoden, die beispielsweise auf der Applikation
von Dehnungsmessstreifen (DMS) am sich drehenden Rotor beruhen.
Solche DMS erfassen Dehnungen von Einzelkomponenten am Rotor, wozu
jedoch eine aufwändige
Messanordnung notwendig ist, die direkt am Rotor befestigt werden
muss. Der Rotor ist daher nicht mehr im ursprünglichen Zustand betreibbar,
da die Sensorik am Rotor den Betrieb zusätzlich beeinflusst. Eine besondere
Problematik besteht auch in der Übertragung
der Messsignale, da diese von der sich drehenden Messstelle auf
eine stationäre
Datenerfassung übertragen
werden müssen.
Die Übertagung
der Messsignale kann entweder über
Drehdurchführungen
wie Schleifkontakte oder Quecksilberdrehübertrager vorgenommen werden
oder auf einer telemetrischen Signalübertragung beruhen. Bei der
telemetrischen Signalübertragung sind
jedoch weitere elektrische Komponenten notwendig, die ebenfalls
auf dem Rotor angeordnet werden müssen.
Aus
dem Bereich der berührungslosen Messtechnik
sind optische Messverfahren bekannt, die auf der Aufnahme und der
geometrischen Auswertung von Einzelbildern beruhen. Aus der Druckschrift „Flash-
free high-speed video stroboscope, B. Stasicki, G.E.A. Meier, SPIE
Vol. 2869/409 1996" ist eine
Videostroboskopeinheit bekannt, die beispielsweise für die Messung
von periodischen Vorgängen wie
Schwingungen etc. anwendbar ist. Diese Videostroboskopie beruht
auf der videographischen Aufnahme von Einzelbildern eines zu erfassenden
Objekts, wobei die Belichtungszeit durch ein entsprechendes Verschlusselement
vor der Videokamera im unteren μs-
Bereich liegt. Verglichen mit der Telemetrie liegt der besondere
Vorteil der Videostroboskopie in dem berührungslosen Messprinzip ohne
Beeinflussung des Messobjektes.
Darstellung
der Erfindung
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile
bisher bei Turbomaschinen angewendeter Messverfahren zu vermeiden.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur berührungslosen
Messung von geometrischen Grössen
an Rotoren im Betrieb zur Verfügung
zu stellen, mit dem auch sehr kleine Lageveränderungen von Rotorkomponenten
qualitativ und quantitativ erfasst werden können. Zudem soll der Rotor
frei von Sensoren und unbeeinflusst von elektrischen/elektronischen
Messmitteln bleiben.
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die
Erfindung schliesst die technische Lehre ein, dass ein Verfahren
zum optischen Messen von Lagezuständen zumindest einer Rotorkomponente eines
Rotors, insbesondere des Rotors einer Turbomaschine, wobei zur Durchführung des
Verfahrens eine Videostroboskopeinheit, eine Lichtquelle und ein
Triggersensor vorgesehen sind, folgende Schritte aufweist,
- • Drehen
des Rotors mit der zumindest einen Rotorkomponente um eine ortsfeste
Achse,
- • Stationäres oder
pulsförmiges
Beleuchten eines die zumindest eine Rotorkomponente enthaltenden
umlaufenden Segments des Rotors mit der Lichtquelle,
- • Fokussieren
einer Videokamera der Videostroboskopeinheit auf das beleuchtete
Segment,
- • Erzeugen
eines Triggersignals mittels des Triggersensors, in Abhängigkeit
von der Lage der zumindest einen Rotorkomponente,
- • Phasengenaues
Ansteuern der Videostroboskopeinheit mit dem Triggersignal,
- • Aufnehmen
von Bildern der zumindest einen Rotorkomponente mittels der Videokamera,
- • Speichern
und Archivieren der Bilder,
- • Auswertung
der Bilder durch Übertragung
in absolute geometrische Grössen.
Dieses
Verfahren bietet den Vorteil, dass die Lageveränderungen von Komponenten des
sich drehenden Rotors berührungslos
messbar sind. Ferner können
mit dem erfindungsgemässen
Verfahren die oben beschriebenen Nachteile bisher bei Turbomaschinen
angewendeter Messverfahren vermieden werden. Ferner wird ein Verfahren
zur berührungslosen
Messung von geometrischen Grössen
an Rotoren im Betrieb zur Verfügung
gestellt, mit dem auch sehr kleine Lageveränderungen von Rotorkomponenten
qualitativ und quantitativ erfasst werden können.
Zudem
soll der Rotor frei von Sensoren und unbeeinflusst von elektrischen/elektronischen
Messmitteln bleiben.
Der
Rotor wird zunächst
in Rotation versetzt, wobei dieser entweder auf einem Prüfstand oder aber
im eigentlichen Stator der Turbomaschinen betrieben wird. Die Lichtquelle
beleuchtet einen Bereich des Rotors, in dem die Rotorkomponente,
d.h. die betreffende Messstelle angeordnet ist. Hiermit kann eine
optimale auch kontinuierliche, nicht gepulste Ausleuchtung des auf
der Rotoroberfläche
interessierenden Bereiches erfolgen. Bei jeder Umdrehung des Rotors
läuft die
Messstelle durch den Lichtkegel hindurch, so dass insbesondere der
interessierende Bereich des Rotors mit seinen Komponenten ausgeleuchtet
wird.
Durch
die Fokussierung der Videooptik auf die betreffende Messstelle und
das Ansteuern der Videokamera mit einem Triggersignal wird die Videostroboskopeinheit
in den betriebsbereiten Zustand überführt, sodass
die Videoaufnahme über
das Triggersignal gestartet werden kann. Durch das Triggersignal
kann der Verschluss der Videokamera quasi wie eine Stroboskoplampe
geöffnet
und geschlossen werden. Alternativ kann aber auch eine klassische Stroboskoplampe
verwendet werden. In diesem Fall wird die Kamera lediglich über das
Triggersignal gestartet und die Blende bleibt während eines längeren Zeitraums
geöffnet.
Die Videokamera kann dabei beispielsweise eine analoge oder eine
digitale Kamera sein. Sie kann ein CCD (Charged-coupled device) sein
oder aus einem entsprechend hochauflösenden Fotoarray bestehen.
Vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemässen
Verfahrens sehen vor, dass auf die zumindest eine Rotorkomponente
zumindest eine sichtbare Messmarke aufgebracht wird und mittels der
Videokamera Bilder der zumindest einen sichtbaren Messmarke aufgenommen
werden.
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemässen
Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem Triggersignal
ein Beleuchtungssignal generiert wird, welches die Lichtquelle ansteuert.
Das
anschliessende Speichern und Archivieren der aufgenommenen Bilder,
d.h. der Abbildungen des untersuchten Objekts, und der Bildinformation, d.h.
der zusätzlich
abgespeicherten Daten, wie z.B. Datum, Drehzahl, Betriebszustand
etc., auf einem geeigneten Datenträger, wie beispielsweise Hauptspeichern,
Magnetbändern,
Disketten oder Festplattenlaufwerken, ermöglicht eine anschliessende
Auswertung der gemessenen Lagezustände bzw. Lageveränderungen
der Komponenten am Rotor zueinander und relativ zum Rotorgrundkörper. Durch
die kurzen Belichtungszeiten der Videokamera ist es möglich, die
videographische Erfassung durch eine Ablichtung der Rotoroberfläche auch
im Betrieb des Rotors bei Umfangsgeschwindigkeiten vom mehrfachen der
Schallgeschwindigkeit in atmosphärischer
Luft vorzunehmen. Die Einzelbilder weisen dabei eine Skalierung
auf, die relativ zu den geometrischen Verhältnissen in ihrer Grösse bekannt
ist. Die Speicherung der Bilder erfolgt derart, dass für jedes
Bild der Zeitpunkt, die Position der Aufnahme auf der Rotoroberfläche, die
Skalierung und weitere Bildinformationen rückverfolgbar sind, so dass
in einer nachträglichen
Auswertung Lageveränderungen
von Rotorkomponenten qualitativ und quantitativ erfasst werden können.
Eine
weitere das Verfahren verbessernde Massnahme sieht vor, dass der
Rotor stationär
oder instationär
betrieben wird, während
die Messgrösse mit
einer Messeinrichtung videographisch erfasst wird, wobei die Rotordrehzahl
vorzugsweise in einem Bereich bis über 120% der Nenndrehzahl liegt.
Der stationäre
Betriebspunkt beschreibt im vorliegenden Zusammenhang konstante
Einflussgrössen
auf das Rotorverhalten, wie beispielsweise eine sich nicht ändernde
Rotordrehzahl, konstante äussere
thermische Bedingungen oder auch einen konstanten Leistungsdurchsatz
durch die Turbomaschine. Somit kann beispielsweise auf das thermische
und dynamische Langzeitverhalten des Rotors und seiner Komponenten
geschlossen werden.
Eine
Messung der Lagezustände
bzw. Lageveränderungen
bei sich ändernden
Betriebsbedingungen des Rotors wird vorgenommen, während der Rotor
einen An- oder Abfahrzyklus durchläuft und/oder die Temperatur
des Rotors verändert
wird, während
die geometrische Messgrösse
mit der Messeinrichtung videographisch erfasst wird. Anders als eine
Messung im stationären
Betrieb der Turbomaschine liegt der Vorteil einer Messung bei sich ändernden
Betriebsbedingungen in der Erfassung von dynamischen Daten, die
auf nur unter Betriebsbedingungen auftretenden Einflussmechanismen
verschiedener oder einzelner Rotorkomponenten beruhen, so dass beispielsweise
geometrische Änderungen
im Betriebszustand gegenüber
dem abgeschalteten Zustand erfasst werden können. Eine äussere Wärmequelle kann dabei eine die Änderung
der Umgebungstemperatur bewirkende Heizung sein. Wenn die Turbomaschine
ein Turbogenerator ist, kann eine innere Wärmequelle aus stromdurchflossenen
Spulen von Rotor oder Stator bestehen, welche im Betrieb ebenfalls
eine Temperaturänderung
im Rotor verursacht.
Es
ist aus konstruktiven Gründen
von besonderem Interesse, dass mit der von der Messeinrichtung erfassten
Messgrösse
die Bewegungen von am Rotor angeordneten Nutenkeilen oder Beschaufelungen
aufgenommen und/oder erfasst werden, insbesondere hinsichtlich ihrer
Lageveränderungen
zueinander und zum Rotorgrundkörper.
Die Nutenkeile sind in Längsrichtung
häufig
parallel zur Rotationsachse in der Rotoroberfläche angeordnet und können aufgrund
ihrer Wärmeausdehnung
ihre Position in axialer Richtung ändern. Für die Ermittlung des thermischen
Verhaltens des Rotors eines Turbogenerators ist dies von besonderem
Interesse, da die Verlagerungen von Nutenkeilen wesentlichen Einfluss
auf das dynamische Verhalten des Rotors und damit auf auftretende
Vibrationen haben.
Eine
weitere Verfahrensverbesserung besteht darin, dass über die
Auswertung der videographischen Bilder aus dem von der Videokamera
ausgegebenen Videosignal eine qualitative und/oder quantitative
Bewertung des thermischen und/oder dynamischen Verhaltens der Rotorkomponenten
vorgenommen wird. Über
eine Skalierung, d.h. eine ermittelte Relation von aus der videographischen
Aufnahme ermittelbaren geometrischen Daten wie Wegstrecken oder
Winkeln zu den am Objekt vorliegenden Wegstrecken und Winkeln, kann
auf die tatsächlichen
Geo metriedaten zurückgerechnet
werden. Die geometrische Auswertung der einzelnen Bilder kann vom
Benutzer an einem Computerbildschirm direkt während der Messaufnahme vorgenommen
werden oder über
eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware erfolgen, über die
bis hin zu einzelnen Pixelverschiebungen eine sehr genaue Auswertung
der Bilder möglich
ist, wobei beispielweise zuvor an den Rotorkomponenten angebrachte
Messmarken anschliessend in der videographischen Aufnahme verwendet
werden können.
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemässen
Verfahrens sieht vor, dass die Triggerung der Videokamera oder der
Lichtquelle über
eine externe Triggereinrichtung oder über eine Triggermarke am Rotor
erfolgt. Die Triggerung über eine
externe Triggereinrichtung kann insbesondere im stationären Bereich
sinnvoll sein, während
die Triggerung über
die Triggermarke am Rotor insbesondere im instationären Bereich
vorteilhaft ist. Eine externe Triggerung hat ausserdem Vorteile
bei der Verwendung mehrerer Lichtquellen bzw. Videokameras, die
beispielsweise mehrere Segmente am Rotorumfang in einem Messdurchgang
erfassen sollen. Die Triggerung kann dabei mit Bezug auf eine Position
am Rotorumfang oder mit Bezug auf die Rotorgeschwindigkeit erfolgen.
Um
das Verfahren in eine stetige Konstruktionsverbesserung einzubinden,
ist es von besonderem Vorteil, dass die aus der Erfassung und Auswertung
der mindestens einen Messgrösse
gewonnenen Informationen aus einer bestehenden und zur Messung dienenden
ersten Konstruktion des Rotors eingangsseitig einer Konstruktionsschleife
zugeführt werden,
um ausgangsseitig aus der Konstruktionsschleife eine zweite, modifizierte
Konstruktion des Rotors oder seiner Komponenten hervorzubringen. Dieser
Verfahrensablauf kann beispielsweise als Iteration vorgenommen werden,
wobei die Messgrösse mit
definierten Betriebsbedingungen wie Temperatur oder Drehzahl im
Datensatz hinterlegt wird. Die Messdaten werden in einer als „Design
Loop" bezeichneten
Konstruktionsschleife mit dem vorhergesagten thermisch- dynamischen
Verhalten verglichen. Bei einer Abweichung werden nachfolgend konstruktive
Massnahmen eingeleitet, und die Mes sung erneut vorgenommen, bis
die Messdaten mit den vorhergesagten bzw. berechneten Daten übereinstimmen.
Ferner
kann auch ein Messsystem zum optischen Messen von Lageveränderungen
von Rotorkomponenten an einem Rotor vorgesehen sein, insbesondere
von Rotorkomponenten eines elektrischen Turbogenerators, wobei zur
Durchführung
des Verfahrens zumindest eine Videostroboskopeinheit mit einer Videokamera
und einer Lichtquelle vorgesehen ist, und wobei ferner zumindest
an einer der Rotorkomponenten eine sichtbare Messmarke angebracht
ist, wobei die Videostroboskopeinheit eine Rechnereinheit zum Speichern
von Frames aufweist, in der die Frames mit den für jedes Frame betreffenden
Betriebsbedingungen abspeicherbar sind.
Die
Rechnereinheit speichert hierbei nacheinander die über das
Videosignal gelieferten Frames, und hinterlegt die einzelnen Betriebsbedingungen
für jedes
Frame, wobei die Betriebsbedingungen die Drehzahl des Rotors oder
die Betriebstemperatur sein können.
Erst über
diese Speicher- und Archivierungsmöglichkeit kann die erfindungsgemässe Vorrichtung
für die
Konstruktionsschleife herangezogen werden, so dass für jede Position,
jeden Betriebspunkt und jede gemessene Grösse der Lageveränderungen
der Rotorkomponenten rückverfolgbar sind.
Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Messsystems sieht dabei eine externe
Triggereinrichtung zur Triggerung der Videokamera vor. Hierdurch
können
die oben beschriebenen Vorteile insbesondere im stationären Messbereich
erzielt werden.
Weiterhin
können
mehrere Videostroboskopeinheiten stationär am Rotor angeordnet sein,
beispielsweise um dreidimsionale Phänomene oder die Lageveränderung
der Rotorkomponenten an mindestens zwei Orten gleichzeitig zu messen,
wobei die zumindest eine Videokamera derart vor der Rotoroberfläche positioniert
ist, dass die Messmarke durch die Videokamera optimal fokussierbar
ist und gleichzeitig die Bildgrösse
an die Grösse
der Messmarke anpassbar ist. Mit mehreren Videokameras ist eine Auswertung
der zeitgleich erfassten Lageveränderungen
an mehreren, entweder in Umfangs- oder in Längsrichtung angeordneten Stellen
möglich.
Der Abstand der Videokamera wird dabei so gewählt, dass eine optimale Fokussierung
bei einer gleichzeitig optimalen Ausnutzung der Bildgrösse erreicht werden
kann, so dass das Bild gerade den interessierenden Messbereich erfasst,
um die Auflösung
zu maximieren. Bei Anwendungen für
Turbogeneratoren ist es beispielsweise wichtig, dass ein und dieselbe Rotorkomponente
an zwei Orten betrachtet wird. Dies ist mit dem erfindungsgemässen Messverfahren möglich.
Eine
weitere die Erfindung verbessernde Massnahme sieht vor, dass die
Videokamera und die Lichtquelle auf einem gemeinsamen Rahmen lösbar befestigt
sind und der Rahmen relativ zum Rotor beweglich ist und über die
Bewegung des gemeinsamen Rahmens eine videostroboskopische Aufnahme der
Messmarke aus mehreren Winkelpositionen relativ zum Rotor möglich ist.
Der gemeinsame Rahmen sichert einen unveränderlichen Abstand zwischen
Videokamera und der Lichtquelle und kann somit frei beweglich aus
verschiedenen Winkelpositionen die betreffenden Messstellen videographisch
aufnehmen und somit in anderen Schwingungsebenen auftretende Schwingungen
messen. Dabei kann die optische Achse der Videokamera parallel zur
Drehachse des Rotors liegen.
Schliesslich
sieht eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens
zum optischen Messen von Lagezuständen zumindest einer Rotorkomponente
eines Rotors die Anwendung bei Rotorkomponenten eines Turbogenerators
oder einer Gasturbinenanlage vor.