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Hintergrund der Erfindung
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Der hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft die Überwachung und insbesondere die Überwachung der Abstände oder axialen Spalte zwischen rotierenden und stehenden Teilen in einer Turbine. Turbinen werden zur Erzeugung von elektrischem Strom oder zum Antrieb von Verdichtern und/oder anderen Rotationsgeräten verwendet. Turbinen sind teuer und müssen für einen Dauerbetrieb zur Verfügung stehen und zuverlässig sein. Derartige Turbinen enthalten typischerweise einen Rotor, der in einem Außengehäuse rotiert. Der Rotor enthält Schaufeln mit einem Fuß und einem Schaufelblatt. Leitapparate sind in dem Gehäuse zwischen den Schaufelblättern eingefügt und geben die Richtung des erwärmten Dampfes (Wasserdampf oder Gas) auf die Laufblätter vor. Der Dampf bewirkt eine Drehung der Laufblätter und demzufolge die Drehung des Rotors.
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Einige Turbinen enthalten eine oder mehrere Schaufelstufen. Die Schaufelstufen werden axial durch sprengringartige Sicherungsdrähte positioniert und gehalten. Diese Sicherungsdrähte werden typischerweise durch in die Turbinenradschwalbenschwanzhaken eingesteckte Steckkerbstifte in der korrekten radialen Position gehalten. Ein nicht korrektes Einstecken des Steckkerbstiftes oder Einrasten des Sicherungsdrahtes kann einen Schaden an der Turbine und demzufolge einen vorzeitigen Ausfall bewirken. Beispielsweise könnte eine Schaufel oder ein Abschnitt der Schaufel beginnen sich zu bewegen, da sie nicht mehr axial festgehalten wird, was zu einem Schaden an stromabwärts liegenden Teilen führt.
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Die zuverlässigsten Schaufelinspektionsverfahren verwenden ein Boroskop, das durch das Gehäuse hindurch in die Turbine eintritt. Eine Prüfung erfordert jedoch die Außerbetriebnahme der Turbine.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Überwachungssystem zur Überwachung eines Spaltes in Echtzeit zwischen einem rotierenden Abschnitt und einem stehenden Abschnitt einer Maschine offengelegt. Das Überwachungssystem dieses Aspektes enthält eine Bilderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Bezugsbildes des Spaltes und eines oder mehrerer nachfolgender Bilder des Spaltes, wobei die Bilderzeugungsvorrichtung einen in der Maschine angeordneten Abschnitt und einen Abschnitt außerhalb der Maschine enthält. Das System dieses Aspektes beinhaltet auch einen mit der Bilderzeugungsvorrichtung verbundenen Bildprozessor, der dafür eingerichtet ist, zu überwachen, ob der Spalt zunimmt oder abnimmt, indem er das Bezugsbild mit dem einen oder mehreren nachfolgenden Bildern vergleicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen eines Spaltes zwischen einem rotierenden Abschnitt und einem stehenden Abschnitt einer Maschine offengelegt. Das Verfahren dieses Aspektes beinhaltet den Empfang eines Bildes des Spaltes bei einem Bildprozessor, während die Maschine arbeitet; den Vergleich des Bildes mit einem Bezugsbild; und die Erzeugung eines Alarms in dem Falle, dass sich das Bild von dem Bezugsbild unterscheidet.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Der als die Erfindung betrachtete Erfindungsgegenstand wird insbesondere in den Ansprüchen am Schluss der Patentschrift dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
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1 eine Blockdarstellung eines Überwachungssystems gemäß einer Ausführungsform ist;
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2 eine Blockdarstellung eines Überwachungssystems gemäß einer Ausführungsform in einer Beispielbetriebsumgebung ist;
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3 eine Unterschiedsansicht der Beispielbetriebsumgebung von 2 ist;
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4 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 stellt ein Beispiel eines Überwachungssystems 100 gemäß einer Ausführungsform dar. Das Überwachungssystem 100 wird in einer Ausführungsform dazu genutzt, Turbinenschaufeln auf axiale Bewegung zu überwachen.
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Das Überwachungssystem 100 dieser Ausführungsform enthält eine Bilderzeugungsvorrichtung 102. Die Bilderzeugungsvorrichtung 102 enthält eine Bildaufzeichnungsvorrichtung 104 und ein Bildübertragungsmedium 106. Gemäß Darstellung in 1 ist die Bildaufzeichnungsvorrichtung 104 eine Kamera, ist aber diesbezüglich nicht beschränkt. Das Bildübertragungsmedium 106 ist in einer Ausführungsform ein Endoskop oder ein anderes geeignetes Faser-Bilderzeugungssystem. Das Bildübertragungsmedium 106 transportiert ein Bild von einer für die Kamera 104 nicht zugänglichen Stelle an die Kamera 104. Beispielsweise überträgt das Bildübertragungsmedium 106 ein Bild aus dem Inneren einer arbeitenden Turbine an die Kamera 104. Die Bilderzeugungsvorrichtung 102 enthält optional ein Beleuchtungssystem 108. Das Beleuchtungssystem 108 liefert eine Beleuchtung an ein Ende des Bildübertragungsmediums 106, um einen interessierenden Bereich zu beleuchten. In einer Ausführungsform enthält das Beleuchtungssystem 108 ein oder mehrere faseroptische Kabel zur Übertragung von Licht an den interessierenden Bereich.
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In einer Ausführungsform hat die Kamera 104 eine Integrationszeit von 1 Mikrosekunde oder weniger. Eine derartige Integrationszeit ermöglicht die Verwendung des Überwachungssystems in Umgebungen, wie z. B. einer Turbine, in welcher sich Elemente mit sehr hohen Drehzahlen bewegen. Beispielsweise kann eine Turbine bei einer Drehzahl von 3000 bis 3600 Umdrehungen pro Minute arbeiten.
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Das Überwachungssystem 100 enthält auch einen Bildprozessor 110. Der Bildprozessor 110 ist in einer Ausführungsform eine Berechnungsvorrichtung. Der Bildprozessor 110 empfängt Bilder aus der Kamera 104. In einer Ausführungsform vergleicht der Bildprozessor 110 Bilder mit einem Bezugsbild, um festzustellen, ob sich Zustände in einem interessierenden Bereich verändert haben. Der Bildprozessor 110 kann verschiedene Bildverarbeitungs- und Vergleichstechniken anwenden. Beispielsweise kann der Bildprozessor 110 Pixelvergleichstechniken oder Mustererkennung unter Verwendung neuronaler Netzwerke anwenden, um die aktuellen Bilder mit dem Bezugsbild zu vergleichen.
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Wie vorstehend erwähnt, kann es vorteilhaft sein, den Zustand von Schaufeln oder anderen Elementen einer Turbine während des Betriebs der Turbine zu überwachen. Demzufolge wird in einer Ausführungsform das Überwachungssystem 100 in einer Turbine während ihres Betriebs eingesetzt. In einer derartigen Ausführungsform werden das Bildübertragungsmedium 106 und das Beleuchtungssystem 108 in der Turbine angeordnet und das Übertragungssystem 106 transportiert Bilder aus dem Inneren der Turbine zu der Kamera 104, während die Turbine läuft. In einer derartigen Ausführungsform können das Bildübertragungsmedium 106 und das Beleuchtungssystem 108 geeignet vor Hitze abgeschirmt sein.
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2 stellt eine Betriebsumgebung 200 für das in 1 dargestellte Überwachungssystem 100 dar. Die Betriebsumgebung 200 ist allgemein als ein Abschnitt einer Turbine dargestellt. Die Turbine enthält ein Außengehäuse 201. Das Außengehäuse 201 enthält typischerweise darin vorgesehene Boroskopzugangslöcher. Derartige Boroskopzugangslöcher werden zum Prüfen der Turbine verwendet, wenn sie außer Betrieb ist. Gemäß einer Ausführungsform sind Abschnitte des Überwachungssystems 100 in dem Außengehäuse 201 durch eines dieser Boroskopzugangslöcher hindurch angeordnet.
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Das Überwachungssystem 100 dieser Ausführungsform beinhaltet die Bilderzeugungsvorrichtung 102, die Kamera 104, das Übertragungssystem 106, das Beleuchtungssystem 108 und den Bildprozessor 110 gemäß Beschreibung in 1. In einer Ausführungsform sind das Übertragungsmedium 106 und wenigstens ein Abschnitt des Beleuchtungssystems 108 mit der Bilderzeugungsvorrichtung 102 verbunden.
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In der dargestellten Ausführungsform sind Abschnitte des Übertragungsmediums 106 und des Beleuchtungssystems 108 in dem Außengehäuse 201 angeordnet. In einer Ausführungsform schützt eine Schutzabdeckung 202 die in dem Außengehäuse 201 angeordneten Abschnitte des Übertragungsmediums 106 und des Beleuchtungssystems 108. Die Schutzabdeckung 202 ist durchsichtig und aus einem Material ausgebildet, das in einer Ausführungsform der Hitze in einer Turbine widerstehen kann. Ein Träger 204 oder eine andere Halterungseinrichtung halten die Schutzabdeckung 202 und somit die Abschnitte des Übertragungsmediums 106 und des Beleuchtungssystems 108, die in dem Außengehäuse 201 angeordnet sind, in einer festen Beziehung in Bezug auf das Außengehäuse 201. Da sich das Außengehäuse 201 typischerweise nicht bewegt, stellt die feste Beziehung zwischen der Schutzabdeckung 202 und dem Außengehäuse 201 sicher, dass das Sichtfeld des Übertragungsmediums 106 (und somit der Kamera 104) konstant oder nahezu konstant gehalten wird.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform befindet sich das Sichtfeld zwischen einem Schaufelblatt 206 und einem Leitapparat 208 einer Turbine. Insbesondere ist das Sichtfeld auf einen freien Bereich 201 zwischen dem Schaufelblatt 206 und dem Leitapparat 208 gerichtet. In einer Ausführungsform ist das Schaufelblatt 206 ein Schaufelblatt der ersten Stufe und der Leitapparat 208 ist ein Leitapparat der zweiten Stufe. Natürlich könnten die Schaufelblätter 206 und der Leitapparat 208 sich in jeder beliebigen Stufe einer Turbine befinden.
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Im Betrieb wird die Kamera 104 zum Überwachen eines Sichtfeldes in dem freien Bereich 207 genutzt. Der freie Bereich 207 kann auch als ein axialer Spalt bezeichnet werden. Das Beleuchtungssystem 108 stellt eine Beleuchtung für den freien Bereich 207 bereit und das Übertragungsmedium 106 transportiert ein Bild zurück an die Kamera 104. In einer Ausführungsform wird das Übertragungssystem 106 durch einen Träger 204 senkrecht zu einer Drehachse einer Turbine gehalten, um ein Bild eines axialen Spaltes zwischen dem Schaufelblatt 206 und einem Leitapparat 208 als Eingangssignal zu erfassen.
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In einer Ausführungsform befindet sich der freie Bereich 207 an einer Stelle hoher Temperatur. Somit überträgt das Übertragungsmedium 106 Bilder von der Stelle hoher Temperatur an die Kamera 104, welche sich an einer kühleren Stelle außerhalb des Gehäuses 201 befindet. Im Betrieb wird ein Bild des freien Bereichs 207 (z. B. ein axialer Spalt zwischen dem Schaufelblatt 206 und dem Leitapparat 208) aufgenommen und bildet ein Bezugsbild. Natürlich können Bildverarbeitungstechniken auf das Bild angewendet werden. Beispielsweise könnten bekannte Verarbeitungstechniken zum Entfernen von Hintergrundinformation oder Rauschen und zur Vorbereitung des Bildes für eine weitere Verarbeitung angewendet werden. Zusätzlich kann das Bild eine Verbesserung durch Erhöhen der Schärfe, Entfernung von Schleiern usw. erfordern.
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In einer Ausführungsform wird ein zweites Bild zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt. Das zweite Bild wird mit dem Bezugsbild verglichen. Bildvergleichstechniken einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Pixelvergleichstechniken, Mustererkennung unter Verwendung neuronaler Netzwerke oder Bildvergleich durch ”Metric Embedding” können zum Vergleichen der Bilder verwendet werden und erkennen jede Veränderung zwischen den beiden.
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3 stellt eine spezielle Implementation des Überwachungssystems 100 der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Darstellung sind die Schutzabdeckung 202, die Abschnitte des Übertragungsmediums 106 und des Beleuchtungssystems 108 durch ein Boroskopzugangsloch 302 in einem Außengehäuse 201 einer Turbine angeordnet. Das Außengehäuse 201 ist mit einem Leitapparat 208 verbunden. Der Leitapparat 208 enthält einen unteren Abschnitt 306, der in einer Ausführungsform eine Trennwand ist. Der untere Abschnitt 306 umgibt eine Rotorwelle 308. Die Rotorwelle 308 ist mit einem oder mehreren Schaufelfüßen 304 verbunden. Die Schaufelfüße 304 tragen jeweils eine Schaufel 206. Die Schaufelfüße 304 (Schaufel) ist von dem unteren Abschnitt 306 durch einen axialen Spalt 305 getrennt.
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Die Rotorwelle 308 dreht sich mit hoher Drehzahl. In einigen Fällen kann sie sich mit einer Drehzahl von etwa 3000 bis 3600 Umdrehungen pro Minute drehen. Demzufolge hat die Kamera 104 (1) eine Bildaufnahmerate mit einer Integrationszeit von 1 Mikrosekunde oder weniger in einer Ausführungsform. Dieses ermöglicht die Aufnahme von Bildern, während jede Schaufel 304 an dem axialen Spalt 305 vorbeidreht.
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4 ist eine Blockdarstellung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Bei einem Block 402 wird ein Bezugsbild eines internen Abschnittes einer Maschine erzeugt. Die Maschine ist in einer Ausführungsform eine Turbine. Obwohl der Abschnitt der Maschine in einer Ausführungsform ein axialer Spalt zwischen Turbinenstufen ist, ist der Abschnitt nicht diesbezüglich eingeschränkt und kann jeden beliebigen internen Abschnitt der Maschine beinhalten. Das Bezugsbild wird durch ein Bildgebungssystem erzeugt, das in einer Ausführungsform als das vorstehend beschriebene Bildgebungssystem implementiert ist. Natürlich können auch andere Bildgebungssysteme verwendet werden.
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Bei einem Block 404 wird ein nachfolgendes Bild von derselben Stelle in der Maschine erzeugt. In einer Ausführungsform wird ein Bild jedes Mal aufgenommen, wenn eine Schaufel eine spezifische Stelle in der Maschine passiert. Natürlich kann das nachfolgende Bild zu jedem Zeitpunkt erzeugt werden, solange er sich hinter der Erzeugung des Bezugsbildes befindet.
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Bei einem Block 406 wird das nachfolgende Bild mit dem Bezugsbild verglichen. Bildvergleichstechniken einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Pixelvergleichstechniken, Mustererkennung unter Anwendung neuronaler Netzwerke oder Bildvergleich durch ”Metric Embedding” können zum Vergleichen der Bilder verwendet werden und erkennen jede Änderung zwischen den zwei Bildern.
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Bei einem Block 408 wird ermittelt, ob irgendwelche Unterschiede zwischen dem Bezugsbild und dem nachfolgenden Bild vorliegen. In einer Ausführungsform kann der Unterschied in der Größe eines axialen Spaltes zwischen zwei Abschnitten einer Turbine liegen. Wenn kein Unterschied vorliegt, kann die Verarbeitung zum Block 404 zurückkehren. Wenn ein Unterschied vorliegt, geht die Verarbeitung direkt zu dem Block 410 über, in welchem ein Alarm erzeugt wird. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren jedoch optionale Blöcke 412 und 414. In den Block 412 wird in dem Falle eingetreten, dass ein Unterschied zwischen dem nächsten Bild und dem Bezugsbild vorliegt und es wird ein Zähler erhöht. Bei dem optionalen Block 414 wird ermittelt, ob der Zähler einen Schwellenwert überschritten hat, wenn dies der Fall ist, wird der Alarm bei dem Block 410 erzeugt. Ansonsten kehrt die Verarbeitung zum Block 404 zurück. Zusammengefasst stellen die optionalen Blöcke 412 und 414 eine erweiterte Probennahme von Bildern mit Unterschieden zu dem Bezugsbild bereit, um mögliche einzelne Bildabweichungen zu reduzieren, die zu falschen Alarmen führen. Es dürfte sich verstehen, dass ein neues Bezugsbild jederzeit hergestellt werden kann. Somit kann in derartigen Fällen die Verarbeitung entweder nach dem Block 408 oder 414 zu dem Block 402 statt zu dem Block 404 wie in 4 dargestellt zurückkehren.
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Es dürfte sich verstehen, dass, obwohl die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und dergleichen verwendet wurden, um bestimmte Elemente hierin eindeutig zu identifizieren, die Reihenfolge und Benennung bestimmter Vorrichtungen in den beigefügten Ansprüchen abhängig von dem Kontext variieren kann.
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Zur Unterstützung der Lehren hierin können verschiedene Analysekomponenten, einschließlich eines digitalen und/oder analogen Systems verwendet werden. Das System kann Komponenten, wie z. B. einen Prozessor, Speichermedien, Arbeitsspeicher, Eingabe-, Ausgabe-, Kommunikationsverbindung, (drahtgebunden, drahtlos, impulsgesteuert, optisch oder andersartig), Benutzerschnittstellen, Softwareprogramme, Signalprozessoren (digital oder analog) und andere derartige Komponenten (wie z. B. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten haben, um einen Betrieb und Analysen der hierin offenbarten Vorrichtungen und Verfahren in einer von mehreren im Fachgebiet allgemein bekannten Arten bereitzustellen. Es wird in Betracht gezogen, dass diese Lehren in Verbindung mit einem Satz computer-ausführbarer Instruktionen auf einem computer-lesbaren Medium, einschließlich Arbeitsspeicher (ROMs, RAMs), optischer (CD-ROMs) oder magnetischer (Platten, Festplatten), Festkörperlaufwerken (SSDs) oder anderen Typen implementiert sein können, aber nicht müssen, die, wenn sie ausgeführt werden, einen Computer veranlassen, Verfahren der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Diese Instruktionen können einen Gerätebetrieb, eine Steuerung, Datensammlung und Analyse und weitere von dem Konstrukteur, Eigentümer, Nutzer oder anderem derartigen Personal für wichtig erachtete Funktionen zusätzlich zu den in dieser Offenlegung beschrieben Funktionen bereitstellen. Demzufolge kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein in einer Berechnungsvorrichtung implementiertes Überwachungssystem enthalten, das ermittelt, ob ein Spalt in einer Turbine in der Größe auf der Basis von Vergleichen mit einem Bezugsbild variiert.
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Obwohl die Erfindung detailliert in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich ohne Weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offengelegte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, sodass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bisher nicht beschrieben wurden, enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
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Es wird ein Überwachungssystem 100 zur Überwachung eines Spaltes in Echtzeit zwischen einem rotierenden Abschnitt und einem stehenden Abschnitt einer Maschine offengelegt. Das Überwachungssystem enthält eine Bilderzeugungsvorrichtung 102 zum Erzeugen eines Bezugsbildes des Spaltes und eines oder mehrerer nachfolgender Bilder des Spaltes, wobei die Bilderzeugungsvorrichtung einen in der Maschine angeordneten Abschnitt und einen Abschnitt außerhalb der Maschine enthält. Das System enthält auch einen mit der Bilderzeugungsvorrichtung verbundenen Bildprozessor 110, der dafür eingerichtet ist, zu überwachen, ob der Spalt zunimmt oder abnimmt, indem er das Bezugsbild mit dem einen oder mehreren nachfolgenden Bildern vergleicht.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Überwachungssystem
- 102
- Bilderzeugungsvorrichtung
- 104
- Aufzeichnungsvorrichtung
- 106
- Übertragungsmedium
- 108
- Beleuchtungssystem
- 110
- Bildprozessor
- 200
- Betriebsumgebung
- 201
- Außengehäuse
- 202
- Schutzabdeckung
- 204
- Träger
- 206
- Schaufelblatt
- 207
- freier Bereich
- 208
- Leitapparat
- 302
- Zugangsloch
- 304
- Schaufelfuß
- 305
- axialer Spalt
- 306
- unterer Abschnitt
- 308
- Rotorwelle
- 402
- Block
- 404
- Block
- 406
- Block
- 408
- Block
- 410
- Block
- 412
- Block
- 414
- Block
