DE102012001446B4

DE102012001446B4 - Anordnung und Verfahren zum Messen der Verformung einer Welle

Info

Publication number: DE102012001446B4
Application number: DE102012001446.5A
Authority: DE
Inventors: Philip David Hemsley
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: CN102628718A; DE102012001446A1; JP5683509B2; US20120194825A1; CN102628718B; US8610890B2; JP2012159507A

Abstract

Anordnung (1) einer Welle (2) mit einer Vorrichtung zum Messen von deren Verformung, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:- ein auf der Welle (2) angebrachtes Bogenmuster (3);- eine Strahlungsquelle (4) zum Beleuchten des Musters (3), und- einen Sensor (5) zur Erfassung der vom Muster (3) reflektierten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter einen Träger (7) aufweist, der in einer vorab festgelegten Richtung (8) zur Wellenachse (6) über eine Zone (20) gegenüber dem Muster (3) beweglich ist, wobei der Träger (7) mindestens den Sensor (5) trägt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen der Verformung einer Welle.
Insbesondere ist die Welle eine Welle einer Gasturbine oder einer Dampfturbine oder eines Stromerzeugers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es sind einige Verfahren bekannt, um die Verformung einer Welle, wie der Welle einer Gasturbine oder einer Dampfturbine oder eines Stromerzeugers, zu messen.
US 4 995 257 offenbart eine Welle mit zwei in Längsrichtung auf ihr in Abstand angebrachten Markierungen; Lichtquellen und Detektoren für das von den Markierungen reflektierte Licht sind mit einer Schaltung verbunden, die die Winkelverformung berechnet.
US 4 347 748 offenbart eine Welle mit einer ersten und einer zweiten reflektierenden Fläche in zueinander beabstandeten Stellungen; es sind Lichtquellen und Detektoren für das von den reflektierenden Flächen reflektierte Licht vorgesehen, die mit einer Schaltung verbunden sind, die das Drehmoment berechnet.
Diese bekannten Systeme versuchen, die Wellenverformung direkt zu messen (d.h. direkt den Verformungswinkel zu erfassen), es ist klar, dass, da die Verformung üblicherweise sehr gering ist, diese Messung in manchen Fällen ungenau sein kann.
US 4 166383 A offenbart eine Anordnung einer Welle mit einer Vorrichtung zum Messen einer durch Drohmomentanwendung bewirkten Verwindung der Welle, wobei die Vorrichtung ein auf der Welle angebrachtes Linienmuster, eine Strahlungsquelle zum Beleuchten des Linienmusters und ein Photosensorarray zur Erfassung der von dem Linienmuster reflektierten Strahlung aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Merkmal der Erfindung enthält daher die Bereitstellung einer Anordnung und eines Verfahrens, durch die die Wellenverformung auf sehr genaue Weise bestimmt werden kann.
Ein anderes Merkmal der Erfindung enthält das Bereitstellen einer Anordnung und eines Verfahrens, die einfach und zuverlässig sind.
Das technische Ziel, zusammen mit diesen und weiteren Merkmalen, wird erfindungsgemäß durch das Bereitstellen einer Anordnung und eines Verfahrens gemäß den beiliegenden Ansprüchen erreicht.
Figurenliste
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen klarer aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform der Anordnung und des Verfahrens hervor, die mittels eines nicht einschränkenden Beispiels in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht wird, in denen:

die 1 bis 3 verschiedene Stufen des Verfahrens in einer Ausführungsform der Erfindung sind;
4 das Muster der 2 (erster Schritt, durchgehende Linie) zeigt, das das Muster der 3 überlagert (zweiter Schritt, gestrichelte Linie);
5 ein Beispiel eines Trägers mit einer Strahlungsquelle und einem Sensor zeigt;
6 eine andere Ausführungsform der Anordnung zeigt; und
7 eine besondere Ausführungsform eines Bogenmusters zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGEN DER ERFINDUNG
Die Anordnung 1 enthält eine Welle 2 zum Beispiel einer Gasturbine oder Dampfturbine oder eines Stromerzeugers; es ist in jedem Fall klar, dass auch eine Welle einer anderen Maschine möglich ist. Die Anordnung enthält auch eine Vorrichtung zur Messung der Verformung der Welle 2.
Diese Vorrichtung enthält ein auf der Welle 2 angebrachtes Bogenmuster 3, eine Strahlungsquelle 4 zum Beleuchten des Musters 3 und einen Sensor 5 zum Erfassen der vom Muster 3 reflektierten Strahlung.
Das Bogenmuster 3 kann eine gebogene Linie sein, die auf der Welle mit verschiedenen Techniken angebracht wird; zum Beispiel kann sie aus der Wellenoberfläche gerieben, oder auf die Wellenoberfläche gedruckt, oder gedruckt oder gerieben, oder mit einer beliebigen anderen Technik auf ein Laminat wie ein Patch aufgebracht werden, das dann auf die Welle 2 aufgebracht wird.
Die Strahlungsquelle 4 ist vorzugsweise eine Lichtquelle und kann eine gerichtete Lichtquelle oder ein Laser sein, auch wenn dies nicht unbedingt notwendig ist. Die Strahlungsquelle 4 kann Licht mit einer bestimmten Frequenz oder in einem gegebenen Frequenzbereich emittieren. Natürlich sind auch andere Arten von Strahlungsquellen möglich.
Der Sensor 5 kann eine Fotodiode sein, die von dem von der Strahlungsquelle 4 emittierten und vom Muster 3 reflektierten Licht aktiviert wird.
Die Welle 2 hat eine Längsachse 6, und die Vorrichtung enthält auch einen Träger 7, der entlang einer vorab festgelegten Richtung 8 bezüglich der Wellenachse 6 mindestens über eine Zone gegenüber dem Bogenmuster beweglich ist; zum Beispiel ist in 3 diese dem Bogenmuster 3 gegenüberliegende Zone, über die der Träger 7 sich bewegen kann, durch das Bezugszeichen 20 gekennzeichnet.
Vorzugsweise definiert das Bogenmuster 3 zusammen mit einer Achse parallel zur Wellenachse 6 Winkel, die sich über das Bogenmuster 3 ändern.
Der Träger 7 trägt den Sensor 5 und in der gezeigten Ausführungsform auch die Strahlungsquelle 4.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorab festgelegte Richtung 8 eine Richtung im Wesentlichen parallel zur Wellenachse 6 (in zwei entgegengesetzte Richtungen 8a, 8b).
In diesem Zusammenhang enthält die Vorrichtung eine Schiene 9, die sich parallel zur Wellenachse 6 erstreckt, und der Träger 7 kann auf dieser Schiene 9 gleiten.
Die Vorrichtung enthält auch eine Steuereinheit 10, vorzugsweise auf dem Träger 7; die Steuereinheit 10 ist mit der Strahlungsquelle 4 und dem Sensor 5 und vorzugsweise mit einem Ausgabeelement 21, wie einer Anzeigeeinrichtung, verbunden.
Zusätzlich enthält die Vorrichtung weiter einen Sensor 11 der axialen Stellung der Welle 2; dieser Sensor 11 ist auch mit der Steuereinheit 10 verbunden.
Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit 10 eingerichtet sein, um die Strahlungsquelle 4 nur zu aktivieren, wenn das Muster 3 ihr gegenüberliegt; diesbezüglich wird ein Winkelsensor 12 bereitgestellt; er ist der Welle 2 zugeordnet und mit der Steuereinheit 10 verbunden.
Der Betrieb der Anordnung geht aus dem hervor, was beschrieben und veranschaulicht wird, und ist im Wesentlichen wie folgt.
1 zeigt einen ersten Betriebsschritt, in dem eine erste Bezugsstellung des Trägers 7 gemessen wird. Sie kann zum Beispiel bei einer nicht in Betrieb befindlichen Welle (d.h. sie ist im Ruhezustand) oder bei einer Welle gemessen werden, die sich unter gegebenen Bedingungen dreht.
Der Träger 7 wird entlang der Richtung 8 bewegt, und die Strahlungsquelle 4 wird aktiviert.
Wenn die Welle sich dreht, wird die Strahlungsquelle 4 vorzugsweise nur aktiviert, wenn das Muster 3 ihr gegenüberliegt; dies wird durch die Messung der Winkelstellung der Welle 2 mittels des Sensors 11 und Übertragung dieser Information an die Steuereinheit 10 erreicht, die die Strahlungsquelle 4 dementsprechend aktiviert.
Der von der Strahlungsquelle 4 erzeugte Lichtstrahl 15 trifft auf die Welle 2 und das Muster 3 in einem Winkel a und wird mit dem gleichen Winkel a (das Bezugszeichen 16 zeigt den reflektierten Strahl) bezüglich einer Achse 17 lotrecht zum Muster 3 in der Stellung, in der der Strahl auf es trifft, zurück reflektiert.
Wenn, wie in 1 gezeigt, in einer Stellung P1 das Muster 3 sich nicht im Wesentlichen lotrecht zum Strahl 15 befindet, wird der reflektierte Strahl 16 nicht zum Träger 7 und zum Sensor 5 reflektiert, und der Sensor 5 erfasst kein Signal.
Wenn der Träger 7 bewegt wird, und der Strahl 15 auf das Muster 3 in einer Stellung P2 trifft, in der das Muster 3 und der Strahl 15 im Wesentlichen lotrecht zueinander sind, wird der reflektierte Strahl 16 im Wesentlichen parallel zum Strahl 15 zum Sensor 5 reflektiert; so kann der reflektierte Strahl 16 vom Sensor 5 erfasst werden, und eine erste Bezugsstellung des Sensors 5 (oder Trägers 7) wird ermittelt.
So wird das Drehmoment angewendet, und die Welle hält einer Verformung stand, die bestimmt werden muss.
Diese Verformung führt zur Verformung des Musters 3, zum Beispiel zeigt 1 das Muster 3, das aufgrund der Wellenverformung verformt wurde; es ist klar, dass nach dieser Verformung der Sensor 5 an der ersten Bezugsstellung den reflektierten Strahl 16 nicht mehr empfängt.
So wird mit den gleichen Schritten, die bereits beschrieben wurden, um die erste Bezugsstellung zu erfassen, eine Stellung P3 bestimmt, in der das verformte Muster 3 im Wesentlichen lotrecht zum Strahl 15 ist, und eine zweite Bezugsstellung des Sensors 5 (oder Trägers 7) wird ermittelt.
Der axiale Abstand (d.h. der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung entlang der Wellenachse 6) zeigt die Wellenverformung an.
In diesem Zusammenhang kann das Muster 3 eine solche Form haben, dass eine gegebene Verformung der Welle (Drehmoment) einem gegebenen Abstand zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung entspricht; dies ermöglicht vorteilhafterweise auch die sehr genaue Bestimmung begrenzter Verformungen, da diese indirekte Erfassung es ermöglicht, dass die Wellenverformung zur leichteren Erfassung vergrößert wird.
Im Betrieb könnte die Welle 2 auch einer Axialverschiebung standhalten; aus diesem Grund wird die axiale Stellung der Welle 2 gemessen, um ihre möglich Verschiebung zu erfassen; diese Information wird dann an die Steuereinheit 10 übertragen, um den Wert des Abstandsunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung zu kompensieren und, anders gesagt, die Wellenverformung zu kompensieren.
6 zeigt eine andere Ausführungsform der Anordnung. In dieser Figur bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Elemente wie die bereits beschriebenen.
Wie gezeigt, enthält die Anordnung in dieser Ausführungsform ebenfalls die Welle 2 mit dem Bogenmuster 3, das zum Beispiel die gleichen Merkmale wie das bereits unter Bezug auf die vorhergehende Ausführungsform beschriebene Muster hat.
Zusätzlich wird anstelle einer Strahlungsquelle 4 und eines Sensors 5, die auf einen Träger 7 montiert sind, der sich über eine Zone 20 bewegen kann, die dem Bogenmuster 3 gegenüberliegt, ein Raster 22, das mehrere Strahlungsquellen 4 und Sensoren 5 aufweist, bereitgestellt.
Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen 4 und Sensoren 5 in Paaren angeordnet, d.h. eine Strahlungsquelle 4 hat einen entsprechenden Sensor 5.
Zusätzlich erstreckt sich das Raster 22 über die dem Bogenmuster 3 gegenüberliegende Zone 20.
Alle Strahlungsquellen 4 und Sensoren 5 (sie können die gleichen Merkmale haben, die bereits für die erste Ausführungsform beschrieben wurden) sind mit der Steuereinheit 10 verbunden; die Steuereinheit 10 ist ihrerseits mit dem Sensor 11 der axialen Stellung der Welle 2 und dem Sensor 12 des Winkels verbunden.
Vorzugsweise definiert das Bogenmuster 3 zusammen mit einer Achse parallel zur Wellenachse 6 Winkel b1, b2, die sich über das Bogenmuster 3 ändern.
Diese Anordnung hat den Vorteil, keine beweglichen Teile aufzuweisen.
Der Betrieb der Anordnung in dieser Ausführungsform ist ähnlich dem bereits beschriebenen.
Ehe das zu messende Drehmoment (oder die durch es verursachte Verformung) angewendet wird, werden die Strahlungsquellen 4 (alle) aktiviert; sie erzeugen Strahlen 15, die vom Muster 3 reflektiert werden; insbesondere, wie bereits beschrieben, trifft der reflektierte Strahl 16 nur dann auf einen Sensor 5, wenn das Muster 3 im Wesentlichen lotrecht zum Strahl 15 ist.
Insbesondere werden die Strahlen 15 in einem sehr kleinen Winkel zu einer Achse 23 lotrecht zur Wellenachse 6 emittiert; aus diesem Grund trifft, wenn ein Strahl 15 von einer Strahlungsquelle 4a emittiert wird, der entsprechende vom Muster 3 reflektierte Strahl 16 in einer Stellung im Wesentlichen lotrecht zum Strahl 15 auf den ihm benachbarten und in Richtung der Neigung des Strahls 15 verschobenen Sensor 5a. Auf diese Weise kann eine erste Bezugsstellung ermittelt werden.
Danach wird das zu messende Drehmoment angewendet, die Messung wird wieder ausgeführt und eine zweite Bezugsstellung wird ermittelt.
Der Abstand (oder der Unterschied) zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung ermöglicht die Ermittlung des Drehmoments und/oder der Kreisverformung.
In einer anderen Ausführungsform (7) könnte das Bogenmuster 3 auch aus einer Anzahl von getrennten winkligen Linien bestehen, um eine digitale anstelle einer durchgehenden analogen Messung zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Messen der Verformung einer Welle.
Ehe die Verformung angebracht wird, weist das Verfahren das Beleuchten des Musters 3 und das Erfassen einer ersten Bezugsstellung durch Erfassung der vom Muster 3 reflektierten Strahlung auf.
Daher werden die Verformung angebracht und die weiteren Schritte des Beleuchtens des Musters und des Erfassens einer zweiten Bezugsstellung durch Erfassung der vom Muster 3 reflektierten Strahlung durchgeführt.
Daher können auf der Basis des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung die Umfangsverformung der Welle und/oder das Drehmoment bestimmt werden.
Vorteilhafterweise wird der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung entlang einer Richtung parallel zur Wellenachse ermittelt.
Selbstverständlich können die beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander bereitgestellt werden.
In der Praxis können die verwendeten Materialien und die Abmessungen je nach den Erfordernissen und dem Stand der Technik beliebig gewählt werden.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Welle
3: Muster
4, 4a: Strahlungsquelle
5, 5a: Sensor
6: Achse von 2
7: Träger
8: Richtung
8a, 8b: Richtungen von 8
9: Schiene
10: Steuereinheit
11: Sensor der axialen Stellung von 2
12: Sensor des Winkels von 2
15: Lichtstrahl erzeugt von 4
16: Lichtstrahl reflektiert von 3
17: Achse lotrecht zu 3
20: Zone gegenüber dem Muster
21: Anzeige
22: Raster
23: Achse lotrecht zu 6
a: Winkel
P1, P2, P3: Stellungen auf 3

Claims

Anordnung (1) einer Welle (2) mit einer Vorrichtung zum Messen von deren Verformung, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: - ein auf der Welle (2) angebrachtes Bogenmuster (3); - eine Strahlungsquelle (4) zum Beleuchten des Musters (3), und - einen Sensor (5) zur Erfassung der vom Muster (3) reflektierten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter einen Träger (7) aufweist, der in einer vorab festgelegten Richtung (8) zur Wellenachse (6) über eine Zone (20) gegenüber dem Muster (3) beweglich ist, wobei der Träger (7) mindestens den Sensor (5) trägt.
Anordnung (1) einer Welle (2) mit einer Vorrichtung zum Messen von deren Verformung, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: - ein auf der Welle (2) angebrachtes Bogenmuster (3) ; - eine Strahlungsquelle (4) zum Beleuchten des Musters (3), und - einen Sensor (5) zur Erfassung der vom Muster (3) reflektierten Strahlung, wobei die Anordnung (1) mehrere Strahlungsquellen (4) und mehrere Sensoren (5) enthält, die ein Raster (22) definieren, das sich über eine dem Muster (3) gegenüberliegende Zone (20) erstreckt, und das Bogenmuster (3) zusammen mit einer Achse parallel zur Wellenachse (6) Winkel (b1, b2) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel (b1, b2) sich über das Bogenmuster (3) ändern.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7) auch die Strahlungsquelle (4) trägt.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorab festgelegte Richtung (8) eine Richtung im Wesentlichen parallel zur Wellenachse (6) ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bogenmuster (3) zusammen mit einer Achse parallel zur Wellenachse (6) Winkel definiert, die sich über das Bogenmuster (3) ändern.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter einen Sensor (11) der axialen Stellung der Welle (2) aufweist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter eine Steuereinheit (10) aufweist, die eingerichtet ist, um die Strahlungsquelle (4) nur zu aktivieren, wenn das Muster (3) der Strahlungsquelle (4) gegenüberliegt.
Anordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter einen Winkelsensor (12) aufweist, der der Welle (2) zugeordnet und mit der Steuereinheit (10) verbunden ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (4) eine Lichtquelle ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (3) aus einer Anzahl von einzelnen winkligen Linien besteht.
Verfahren zum Messen der Verformung einer Welle (2) mittels einer Vorrichtung, die Folgendes aufweist: - ein Bogenmuster (3), das auf der Welle (3) angebracht ist; - eine Strahlungsquelle (4) zum Beleuchten des Musters (3), - einen Sensor (5) zum Erfassen der vom Muster (3) reflektierten Strahlung, - einen Träger (7), der in einer vorab festgelegten Richtung (8) zur Wellenachse (6) über eine dem Muster (3) gegenüberliegende Zone (20) beweglich ist, wobei der Träger (7) mindestens den Sensor (5) trägt, oder der Sensor (5) mehrere Sensoren (5) enthält, die ein Raster (22) definieren, das sich über eine Zone (20) gegenüber dem Muster (3) erstreckt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: - bevor die Verformung angebracht wird: - Beleuchten des Musters (3), - Erfassen einer ersten Bezugsstellung durch Erfassen der vom Muster (3) reflektierten Strahlung, - nachdem die Verformung angebracht wurde: - Beleuchten des Musters (3), - Erfassen einer zweiten Bezugsstellung durch Erfassen der vom Muster (3) reflektierten Strahlung, - auf der Basis des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung, Bestimmen der Umfangsverformung der Welle und/oder des Drehmoments.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7) auch die Strahlungsquelle (4) trägt.
Verfahren nach. Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstellung entlang einer Richtung parallel zur Wellenachse ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster (22) auch mehrere Strahlungsquellen (4) aufweist.