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Die vorliegende Erfindung betrifft die Anordnung von Sensoren zur ortsaufgelösten Messung von Kavitation und ein Verfahren hierzu. Die Sensoranordnung und das Messverfahren finden Anwendung in hydraulischen Maschinen mit einem Laufrad, z.B. einer Turbine, Pumpe oder Pumpturbine in einem Wasserkraftwerk. Es geht dabei um die Ortung von Kavitation, welche am Laufrad der hydraulischen Maschine auftritt.
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Kavitation am Laufrad kann beim Betrieb einer hydraulischen Maschine auftreten. In der Regel tritt eine solche Kavitation in Betriebsbereichen auf, die abseits des optimalen Betriebsbereiches liegen, für den die hydraulische Maschine hauptsächlich ausgelegt wurde. Kavitation kann zu einem verstärkten Verschleiß des Laufrades führen. Das Auftreten von Kavitation in bestimmten Betriebszuständen kann nicht zuverlässig vorhergesagt werden, vor allem in den Übergangsbereichen keine Kavitation – Kavitation. Eine Vielzahl von Umständen beeinflusst das Kavitationsverhalten. Abweichungen in der Vorhersage können sich unter anderem durch den Einfluss von Luftdruck, Wassertemperatur, Sedimentkonzentration im Wasser oder Abnützungsgrad der hydraulischen Flächen ergeben. Dabei ist einerseits die genaue Abhängigkeit der Kavitation von den genannten Parametern oft nicht hinreichend bekannt, und andererseits können einige der Parameter nicht mit hinreichender Genauigkeit erfasst werden. Daher müssen, um Kavitation zuverlässig auszuschließen, bestimmte Betriebsbereiche gemieden werden. Der nutzbare Betriebsbereich einer hydraulischen Maschine wird dadurch eingeschränkt.
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Um die beschriebenen Nachteile zu überwinden wird die Kavitation, die am Laufrad einer hydraulischen Maschine auftreten kann, gemessen. Zur messtechnischen Erfassung von Kavitation sind verschiedene Verfahren bekannt. Eine Möglichkeit stellt zum Beispiel der Einsatz von speziell für sehr hohe Frequenzen (100 kHz bis 1 MHz) ausgelegte Körperschallsensoren dar, die z.B. am Turbinengehäuse angebracht werden (vgl. z.B.
US 2010 / 0 300 683 A1 ,
DE 10 2006 058 689 A1 ,
US 2002 / 0 140 566 A1 ,
US 2011 / 0 118 998 A1 und die Anmeldung
DE 10 2015 201 203.4 ). Mit solchen Verfahren wird jedoch nur das Auftreten von Kavitation am Laufrad erfasst und nicht der Ort am Laufrad, an dem Kavitation tatsächlich entsteht. Dabei enthält gerade die Information über den Entstehungsort wichtige Informationen über den Grad der Schädlichkeit und kann auch Aufschluss über die Ursachen der Kavitation geben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung und ein Verfahren anzugeben, mit der Kavitation ortsaufgelöst am Laufrad einer gattungsgemäßen hydraulischen Maschine gemessen werden kann. Dabei soll der apparative Aufwand für diese Messung so klein wie möglich gehalten werden.
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Verfahren zur Quellenortung von Schallemissionen sind aus der Literatur bekannt (vgl. Grosse, C.U. & Ohtsu M. (Hrsg.), 2008, Springer Verlag; Acoustic Emission Testing, Chapter 6 – Source Localization). Die Anwendung der dort vorgeschlagenen Messverfahren auf ein Laufrad einer gattungsgemäßen hydraulischen Maschine führte bisher in der Regel zu einer Sensoranordnung, bei der eine Vielzahl von Sensoren in Umfangsrichtung des Laufrades verteilt angeordnet sind. Das Anbringen einer Vielzahl von Sensoren rund um das Laufrad ist aufwändig und kostenintensiv. Die vorliegende Erfindung schlägt dagegen eine Sensoranordnung vor, bei der für die ortsaufgelöste Messung vor und hinter dem Laufrad nur jeweils 2 Sensoren benötigt werden. Dabei bedeutet „vor dem Laufrad“ der Bereich, der in Fließrichtung des Wassers gesehenen vor dem Laufrad liegt, und entsprechendes gilt für „hinter dem Laufrad“.
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Der Erfinder hat sich die Erkenntnis zu Nutze gemacht, dass Kavitation am Laufrad einer gattungsgemäßen hydraulischen Maschine praktisch immer in der Nähe der Kanten der Laufradschaufeln auftritt. Es können hierbei sowohl die Eintrittskanten als auch die Austrittskanten betroffen sein. D.h. eine ortsaufgelöste Messung muss nur noch die Frage beantworten: An welcher Stelle der jeweiligen Kanten tritt die Kavitation auf?
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Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausprägungen finden sich in den von diesen Ansprüchen abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung beruht darin, dass zwei Sensoren in Fließrichtung des Wassers hintereinander an der den Fließkanal begrenzenden Wand angebracht sind. Zur Ortung von Kavitation an den Eintrittskanten des Laufrades befinden sich die zwei Sensoren im Bereich vor dem Laufrad, zur Ortung von Kavitation an den Austrittskanten des Laufrades befinden sich die zwei Sensoren im Bereich hinter dem Laufrad, d.h. die beiden Sensoren befinden sich jeweils bezüglich der Fließrichtung des Wassers auf derselben Seite des Laufrades. Dabei müssen sich die Sensoren nicht in streng mathematischem Sinne in Fließrichtung auf einer Linie befinden. Abweichungen von der durch die Fließrichtung vorgegebenen Linie von bis zu mehreren Zentimetern sind tolerierbar, zumal eine solche Abweichung konstruktiv bekannt ist und im zugehörigen Auswerteverfahren berücksichtigt werden kann. Abweichungen von der idealen Anordnung werden oft wegen der geringen Zugänglichkeit im Bereich des Laufrades notwendig. Daher ist es für die praktische Anwendung der Erfindung von großer Wichtigkeit, dass solche Abweichungen die Funktion nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
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1 Erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Ortung von Kavitation vor dem Laufrad;
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2 Erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Ortung von Kavitation hinter dem Laufrad;
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3 Schematische Darstellung in Draufsicht für die erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß 1;
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4 Skizze zur Auswertung der Signale;
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5 Erfindungsgemäßes Verfahren zur Ortung der Kavitation.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Francis-Turbine. Dabei ist eine Laufradschaufel mit 1 bezeichnet und eine Leitschaufel mit 2. Ein erster Sensor ist mit 3 und ein zweiter Sensor mit 4 bezeichnet. Die Sensoren befinden sich am Turbinendeckel und haben einen Abstand, der im Folgenden mit Delta_x bezeichnet wird. Die gezeigte Sensoranordnung ist geeignet, Kavitation zu orten, die im Bereich der Eintrittskanten der Laufradschaufeln entsteht. Die Fließrichtung des Wassers ist durch den Pfeil angedeutet, d.h. das Wasser fließt an der Leitschaufel vorbei in das Laufrad und an den Laufradschaufeln vorbei. Somit befindet sich in Bezug auf die Fließrichtung Sensor 4 hinter Sensor 3.
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2 zeigt wiederum einen Ausschnitt aus einer Francis-Turbine. Die Bezeichnungen entsprechen den Bezeichnungen aus 1. Die Sensoren befinden sich an der Saugrohrwand. Die gezeigte Sensoranordnung ist geeignet, Kavitation zu orten, die im Bereich der Austrittskanten der Laufradschaufeln entsteht. Die Fließrichtung des Wassers ist durch den Pfeil angedeutet, d.h. das Wasser fließt aus dem Laufrad in das Saugrohr. Somit befindet sich in Bezug auf die Fließrichtung Sensor 4 hinter Sensor 3.
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Obwohl in den Figuren nur Francis-Turbinen gezeigt werden, können die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren genauso gut an Axialturbinen, wie z.B. Kaplan oder Propeller-Turbinen verwendet werden. Das gilt auch für Pumpturbinen, wobei sich in diesem Fall die Fließrichtung des Wassers umkehren kann. Die oben gemachte Unterscheidung zwischen vor und nach dem Laufrad ist in diesem Fall natürlich abhängig von der Fließrichtung des Wassers.
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3 zeigt in stark schematisierter Draufsicht die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1. Von den Laufradschaufeln ist eine exemplarisch mit 1 bezeichnet. Die Fließrichtung des Wassers in der Nähe der Sensoren 3 und 4 ist mit dem Pfeil angedeutet. Aus der Figur ist ersichtlich, dass sich bei einer Drehung des Laufrades die Laufradschaufeln periodisch an den Sensoren vorbei bewegen.
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4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung, wie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung Kavitation an den Kanten der Laufschaufeln geortet werden kann. Eine Laufradschaufelkante ist hierbei mit 1 bezeichnet und ein Kreis, der mit 2 bezeichnet ist und sich in der Nähe der Laufradkante befindet, stellt eine durch Kavitation erzeugte Schallquelle dar. Die Kugelförmig von der Schallquelle 2 ausgehenden Schallwellen sind dabei durch Kreissegmente angedeutet. Die Schallwellen breiten sich mit der wasserspezifischen Schallgeschwindigkeit c aus und treffen auf die Sensoren, welche wiederum mit 3 und 4 bezeichnet sind. Dabei erreichen die Schallwellen den Sensor, der sich näher an den Laufschaufeln befinden – es ist Sensor 4 – früher als den anderen Sensor 3. Durch die gestrichelte Kreissegmentlinie ist gerade der Zeitpunkt t1 dargestellt, an dem der Schall Sensor 4 erreicht. Die Tangente an diese Linie schneidet die Gerade, die durch beide Sensoren verläuft, genau am Ort des Sensors 4 und schließt mit ihr den Winkel α ein. Zu einem späteren Zeitpunkt t2 wird der Schall auch Sensor 3 erreichen. Wenn t1 und t2 gemessen werden ergibt sich die einfache Beziehung: Delta_x·sinus(α) = c·(t2 – t1)
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Aus den gemessenen Zeiten t2 und t1 und dem bekannten Delta_x kann α berechnet werden. Aus der bekannten Position der Sensoren und der Laufradgeometrie kann in Kenntnis von α die Stelle an der Laufradschaufelkante 1 berechnet werden, in deren Nähe die Kavitation aufgetreten ist. Die oben angegebene Formel ist eine Näherung für ebene Wellen, d.h. für den Fall, dass die Entfernung zwischen den Sensoren und der Schallquelle groß genug ist. Für eine höhere Genauigkeit kann auch die sogenannte Hyperbel-Methode verwendet werden, die ohne eine Näherung auskommt (vgl. Grosse & Ohtsu, 6.2.3 – 2-Dimensional Localization).
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Aus der bekannten Geometrie des Laufrades und den bekannten Positionen der Sensoren kann das Lokalisierungsproblem bereits im Voraus berechnet werden, so dass eine Zuordnungstabelle generiert wird, in der jedem Laufzeitunterschied der zugehörige Ort der Schallquelle zugeordnet wird. Diese Tabelle kann dann in der Auswertesoftware verwendet werden.
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Aus dem dargelegten wird auch klar, dass der Abstand der beiden Sensoren nicht zu klein gewählt werden darf, bzw. dass, die Abtastrate mit der die Sensoren ausgelesen werden, an den Abstand der Sensoren angepasst werden muss. D.h. je kleiner der Abstand desto höher die Abtastrate. Je nach verfügbarem Raum und der jeweiligen gewünschten Ortsauflösung wird der mit der Ausführung betraute Fachmann daher einen ausreichend hohen Abstand bzw. eine ausreichend hohe Abtastrate beim Auslesen der Sensoren auswählen.
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Die Laufzeitunterschiede zwischen den Sensoren können sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich bestimmt werden. Hierzu können gängige Signalaufbereitungen wie Frequenzfilter, Signalentrauschung oder Ankunftszeitkorrekturalgorithmen eingesetzt werden. Durch die Drehung des Laufrades bewegen sich die Laufradschaufeln, an deren Kanten Kavitation auftreten kann, sukzessive an den Sensoren vorbei, d.h. die Entfernung zwischen einer Laufradschaufelkante und den Sensoren ist eine periodische Funktion über der Zeit. Kavitation, die auftritt, wenn sich die betroffene Laufradschaufel weiter von den Sensoren entfernt befindet, wird von den Sensoren mit einer geringeren Intensität empfangen, als Kavitation, die auftritt, wenn sich die fragliche Laufradschaufel sehr nahe an den Sensoren befindet. Da sich die Signalstärke umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes der Schallquelle verhält, werden detektierte Kavitationsereignisse dementsprechend gewichtet durch die Sensoren aufgezeichnet. D.h. dadurch allein „fokussiert“ sich die Messmethode auf Kavitationsereignisse, die dann stattfinden, wenn die betroffene Laufradschaufel sich nahe bei den Sensoren befindet. Die beschriebene Ortsselektivität des Messverfahrens kann weiter erhöht werden. Als besonders zielführend in dieser Hinsicht erweist sich die getriggerte Auswertung der Laufzeiten für bestimmte Umfangspositionen der einzelnen Laufradschaufeln. Dabei werden die Laufzeitunterschiede nur für Schallsignale ermittelt, die innerhalb eines bestimmten Laufraddrehwinkels auftreten, wodurch die Streuung der Ankunftszeiten verringert wird. Als Trigger kann ein separater Key Phaser oder der Maschineneigene Drehzahlgeber genutzt werden. Diese Auswertung funktioniert auch für mehrere Laufraddrehwinkel, z.B. wird nur gemessen, wenn sich jeweils eine Laufradschaufel so nahe wie möglich an den beiden Sensoren befindet.
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Es können auch statistische Methoden verwendet werden, z.B. wenn sehr viele unterschiedlich lokalisierte durch Kavitation verursachte Schallquellen auftreten. In diesem Fall werden viele verschiedene Laufzeitdifferenzen gemessen, und aus der Häufigkeitsverteilung der Laufzeitdifferenzen kann auf die Lage der stärksten Kavitationsherde geschlossen werden.
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5 zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ortung von Kavitation. Dabei bezeichnet V1 das Auslesen der Signale, welche von den Sensoren 3 und 4 erfasst werden. V2 bezeichnet die Bestimmung der Laufzeitunterschiede zwischen den erfassten Signalen der beiden Sensoren. V3 bezeichnet die Berechnung bzw. Zuordnung des Ortes der Schallquelle zu den bestimmten Laufzeitunterschieden unter Verwendung der bekannten Geometrie der Laufschaufeln und den Positionen der Sensoren. Die beschriebenen Schritte werden dabei kontinuierlich durchgeführt.
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Abschließend sei erwähnt, dass die Erfindung auch bei hydraulischen Maschinen mit mehr als einem Laufrad angewendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0300683 A1 [0003]
- DE 102006058689 A1 [0003]
- US 2002/0140566 A1 [0003]
- US 2011/0118998 A1 [0003]
- DE 102015201203 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Grosse, C.U. & Ohtsu M. (Hrsg.), 2008, Springer Verlag; Acoustic Emission Testing, Chapter 6 – Source Localization [0005]
