DE102006012364A1 - Verfahren zum optischen Messen von Lagezuständen von Rotorkomponenten - Google Patents

Verfahren zum optischen Messen von Lagezuständen von Rotorkomponenten Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum optischen Messen von Lagezuständen zumindest einer Rotorkomponente (2) eines Rotors (1), insbesondere des Rotors einer Turbomaschine, wobei zur Durchführung des Verfahrens eine Videostroboskopeinheit (3), eine Lichtquelle (6) und ein Triggersensor (16) vorgesehen sind, weist folgende Schritte auf: Drehen des Rotors (1) mit der zumindest einen Rotorkomponente (2) um seine Drehachse (4); stationäres oder pulsförmiges Beleuchten eines die zumindest eine Rotorkomponente (2) enthaltenden umlaufenden Segments des Rotors (1) mit der Lichtquelle (6); Fokussieren einer Kamera (5), insbesondere einer Videokamera der Videostroboskopeinheit (3) auf das beleuchtete Segment; Erzeugen eines Triggersignals (17) mittels des Triggersensors (16), in Abhängigkeit von der Lage der zumindest einen Rotorkomponente (2); phasengenaues Ansteuern der Videostroboskopeinheit (3) mit dem Triggersignal (17); Aufnehmen von Bildern der zumindest einen Rotorkomponente (2) mittels der Kamera (5); Speichern und Archivieren der Bilder; Auswertung der Bilder durch Übertragung in absolute geometrische Größen. Dieses Verfahren ermöglicht das berührungslose Messen von Lagezuständen von Rotorkomponenten im Betrieb und ferner die Feststellung, ob, wann, wo und in welcher Höhe Lageveränderungen von Rotorkomponenten auftreten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Messen von Lagezuständen von Rotorkomponenten an einem drehenden Rotor, insbesondere von Rotorkomponenten von Turbomaschinen, wie Turbogeneratoren, Turbinen, Verdichtern und Hilfseinrichtungen (Zwischenwelle, Getriebe, Kupplungen), sowie von Elektromotoren.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
  • 1a eine schematische Darstellung eines genuteten Rotors einer Turbomaschine mit einer Videostroboskopeinheit
  • 1b eine schematische Seitenansicht der Rotoroberfläche aus 1a;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Videostroboskopeinheit
  • In den Zeichnungen sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Der in 1a und 1b schematisch dargestellte Aufbau zeigt einen Rotor 1 einer Turbomaschine im Querschnitt, der auf seinem Umfang verschiedene Rotorkomponenten 2 aufweist. Der Rotor 1 führt eine Rotationsbewegung um eine relativ zu einer Videostroboskopeinheit ortsfesten Achse 4 aus, sodass die Oberfläche des Rotors 1 den Aufnahmebereich einer Videokamera 5 durchläuft. Eine Lichtquelle 6 beleuchtet den interessierenden Bereich einer Rotorkomponente oder einer Messmarke 7, welche zur Visualisierung von Lageänderungen auf den Rotorkomponenten 2 aufgebracht ist. Die Videostroboskopeinheit ist in der Nähe des Rotors positioniert.
  • Die Strahlmitte des Lichtkegels der Lichtquelle 6 und die optische Achse der Videokamera 5 sind unter einem Winkel 8 angeordnet, und sowohl die Videokamera 5 als auch die Lichtquelle 6 sind auf einem beweglichen Rahmen 9 justierbar befestigt. Der Winkel 8 ist ein spitzer Winkel, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel 45° beträgt. Damit kann die Videostroboskopeinheit relativ zum Rotor 1 auch unter verschiedenen Winkelpositionen angeordnet werden, womit die Erfindung nicht auf die hier dargestellte Ausführung mit einer orthogonalen Betrachtung der Rotoroberfläche beschränkt ist. Allerdings hat die Anordnung der Videokamera 5 in der Verlängerung des Rotorradius den Vorteil geringer Verzerrung, weshalb sie bei entsprechenden Platzverhältnissen bevorzugt ist.
  • In 2 ist schematisch eine Ausführungsform einer Videostroboskopeinheit 3 dargestellt, wobei der Rotor 1 ebenfalls schematisch gezeigt ist. Gemäss der Ausführungsform von 2, belichtet die Videokamera 5 über einen Verschluss 10, der mit einem Belichtungssignal 11 angesteuert wird. Das Belichtungssignal 11 wird von einer Steuerung 12 nur unter der Vorraussetzung freigegeben, wenn zunächst die Freigabe zur Verschlussöffnung in Form eines Videobereitschaftssignals vorliegt. Das Videobereitschaftssignal wird erst dann von der Videokamera 5 an die Steuerung 12 ausgegeben, wenn die vorhergehende Aufnahme über ein Videosignal 14 vollständig von einer Rechnereinheit 15 ausgelesen wurde, um die zuvor gemachte Aufnahme nicht zu löschen. Bei vorliegendem Videobereitschaftssignal gibt die Steuerung 12 endgültig das Belichtungssignal 11 aus, wenn ein von einem Aufnahmesensor 16 ausgegebenes Triggersignal 17 die gewünschte Winkelposition des Rotors 1 relativ zum Beobachtungsfeld der Videokamera 5 detektiert. Dieser Aufnahmesensor besteht beispielsweise aus einem Signalgeber, der die Rotation des Rotors 1 misst. Somit öffnet der Verschluss 10 der Videokamera 5 nur dann, wenn sowohl die vorhergehende Aufnahme vollständig aus der Videokamera 5 ausgelesen wurde, als auch der Rotor 1 die entsprechende Winkelposition aufweist, in der der interessierende Bereich mit der entsprechenden Messmarke 7 von der videographischen Aufnahme erfasst werden soll. Die Rechnereinheit 15 speichert und archiviert die über das Videosignal 14 ausgelesenen Bilder, und kann diese über ein Monitorsignal 18 auf einem Monitor 19 für den Benutzer sichtbar machen.
  • Die Steuerung kann das von dem Aufnahmesensor 16 ausgegebene Triggersignal 17 synchron, d.h. für jedes aufzunehmende Bild durch die Videokamera 5 zum gleichen Zeitpunkt in ein Belichtungssignal 11 umwandeln. Dabei entsteht immer zum gleichen Zeitpunkt eine Aufnahme der Rotorkomponente oder der Messmarke. Jedoch kann bei einer asynchronen Steuerung, bei der das Belichtungssignal 11 erst zeitverzögert ausgelöst wird, eine Bildfolge zeitversetzt von aufein ander folgenden Durchläufen der Messmarke 7 aufgenommen werden, mit der Lageveränderungen von auf der Rotoroberfläche angeordneten Rotorkomponenten 2 in sehr kurzen Zeitfolgen aufgenommen werden können.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sondern wird lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche definiert, wie sie von einem Fachmann verstanden werden.
  • 1
    Rotor
    2
    Rotorkomponenten
    3
    Videostroboskopeinheit
    4
    Drehachse
    5
    Videokamera
    6
    Lichtquelle
    7
    Messmarke
    8
    Winkel
    9
    Rahmen
    10
    Verschluss
    11
    Belichtungssignal
    12
    Steuerung
    14
    Videosignal
    15
    Rechnereinheit
    16
    Triggersensor
    17
    Triggersignal
    18
    Monitorsignal
    19
    Monitor

Claims (13)

  1. Verfahren zum optischen Messen von Lagezuständen zumindest einer Rotorkomponente (2) eines Rotors (1), insbesondere des Rotors einer Turbomaschine, wobei zur Durchführung des Verfahrens eine Videostroboskopeinheit (3), eine Lichtquelle (6) und ein Triggersensor (16) vorgesehen sind und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: • Drehen des Rotors (1) mit der zumindest einen Rotorkomponente (2) um seine Drehachse (4), • Stationäres oder pulsförmiges Beleuchten eines die zumindest eine Rotorkomponente (2) enthaltenden umlaufenden Bereiches des Rotors (1) mit der Lichtquelle (6), • Fokussieren einer Kamera (5), insbesondere einer Videokamera der Videostroboskopeinheit (3) auf das beleuchtete Segment, • Erzeugen eines Triggersignals (17) mittels des Triggersensors (16), in Abhängigkeit von der Lage der zumindest einen Rotorkomponente (2), • Phasengenaues Ansteuern der Videostroboskopeinheit (3) mit dem Triggersignal (17), • Aufnehmen von Bildern der zumindest einen Rotorkomponente (2) mittels der Kamera (5), • Speichern und Archivieren der Bilder, • Auswertung der Bilder durch Übertragung in absolute geometrische Grössen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Aufnahme, Speicherung, Archivierung und Auswertung der Bilder auch Bildinformationen zur Komponentenidentifizierung erfasst, gespeichert, archiviert und ausgewertet werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zumindest eine Rotorkomponente (2) zumindest eine sichtbare Messmarke (7) aufgebracht wird und mittels der Videokamera (5) Bilder der zumindest einen sichtbaren Messmarke (7) aufgenommen werden.
  4. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Triggersignal (17) ein Beleuchtungssignal generiert wird und die Lichtquelle (6) mit dem Beleuchtungssignal angesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei der Rotor (1) in einem stationären Betriebspunkt betrieben wird, während die Messgrösse mit der Videostroboskopieeinheit (3) erfasst wird, wobei die Rotordrehzahl vorzugsweise in einem Bereich von 3000 U/min bis 3600 U/min liegt.
  6. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei der Rotor (1) einen An- oder Abfahrzyklus durchläuft und/oder die Temperatur des Rotors (1) mit einer inneren oder einer äusseren Wärmequelle auf vorbestimmte Temperaturen eingestellt wird, während die Messgrösse mit der Videostroboskopieeinheit (3) erfasst wird.
  7. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei mit der von der Videostroboskopieeinheit (3) erfassten Messgrösse die Lagezustände von am Rotor (1) angeordneten Rotorkomponenten (2) hinsichtlich ihrer Lageveränderungen zueinander und zum Rotorgrundkörper erfasst wird.
  8. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei über die Auswertung der videographischen Bilder aus dem von der Videokamera (5) ausgegebenen Videosignal (14) eine qualitative und/oder quantitative Bewertung des thermischen und/oder dynamischen Verhaltens der Rotorkomponenten (2) vorgenommen wird.
  9. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Ansteuerung der Videokamera (5) über eine externe Triggereinrichtung oder über den Triggersensor (16) erfolgt, wobei der Triggersensor (16) die zumindest eine Rotorkomponente (2) oder zumindest eine Triggermarke erfasst.
  10. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die aus der Erfassung und Auswertung der mindestens einen Messgrösse gewonnenen Informationen aus einer bestehenden und zur Messung dienenden Konstruktion des Rotors (1) eingangsseitig einer Konstruktionsschleife zugeführt werden, um ausgangsseitig aus der Konstruktionsschleife eine modifizierte Konstruktion des Rotors (1) und/oder seiner Rotorkomponenten (2) hervorzubringen.
  11. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei mehrere Videostroboskopeinheiten (3) stationär zum Rotor (1) angeordnet sind.
  12. Verwendung eines Verfahrens zum optischen Messen von Lagezuständen zumindest einer Rotorkomponente (2) eines Rotors (1) nach Anspruch 1 bei Rotorkomponenten eines Turbogenerators oder einer Gasturbinenanlage.
  13. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Videokamera (5) aufgenommen Bilder auf einem Monitor oder einer gedruckten Ausgabe dargestellt werden.
DE200610012364 2005-03-31 2006-03-17 Verfahren zum optischen Messen von Lagezuständen von Rotorkomponenten Withdrawn DE102006012364A1 (de)

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