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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorischen Beobachten des
Laufs einer drehenden Maschine, wobei mindestens zwei diametral
umfänglich
an einem Stator angeordnete Ultraschall-Sonden auf eine Rotorwelle
gerichtete Schallimpulse abstrahlen und deren Echo wieder empfangen,
und aus den Laufzeiten der Schallimpulse die Lage der Rotorwelle
im Stator und/oder eine eventuelle Exzentizität der Rotorwelle ermittelt
wird, insbesondere für
einen axialen Turbo-Luftverdichter.
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Axiale
Turbo-Luftverdichter besitzen einen Stator mit zwei innenwandig
auf engen Abstand angeordneten Leitschaufelringen, zwischen denen
die Laufschaufeln eines Laufschaufelrades rotieren, das von einer zentrisch
im Stator gelagerten Rotorwelle angetriebenen wird. Das Laufschaufelrad
saugt die Luft oder andere Gase durch einen Einlauf an und fördert sie
im verdichteten Zustand im Schaufelkanal bis zum Auslass weiter. Um
mit Hilfe solcher Verdichter große Druckdifferenzen zwischen
dem Einlauf für
die Luft und ihrem Austritt aus dem Verdichter zu überwinden,
schaltet man mehrere Leitschaufelringe und Laufschaufelräder axial
hintereinander und erhöht
so von Laufschaufelrad zu Laufschaufelrad stufenweise den Druck
bis zur gewünschten
Endhöhe.
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Axiale
Turbo-Luftverdichter finden in axialen Strömungsmaschinen Anwendung, beispielsweise
in Luftstrahltriebwerken und Gasturbinen.
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Für einen
sicheren und verlustarmen Betrieb von axialen Turbo-Luftverdichtern
ist es wünschenswert, ihren
Lauf zu überwachen.
Dabei ist die Einhaltung der zentrischen Lage der Rotorwelle und
die Einhaltung des radialen Spalts zwischen den Spitzen der Laufschaufeln
und der Innenwand des Stators von besonderem Interesse. Einerseits
darf aus Sicherheitsgründen
ein Mindestspalt nicht unterschritten werden, um Beschädigungen
durch Berührung
zu vermeiden, und andererseits verursacht ein zu großer Spalt
unnötige
Leckverluste, die wiederum unmittelbar auf den Wirkungsgrad des
Verdichters durchschlagen. Außerdem
ist es bedeutsam, die mittlere Temperatur im Schaufelkanal längs der
Schaufelkanalhöhe,
also zwischen der Statorinnenwand und der Rotorwelle, zu beobachten.
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Es
ist bekannt, den Spielraum der Laufschaufelspitzen zum Stator elektromechanisch
mittels eines Taststiftes (
DE
28 07 296 C ), unter Ausnutzung der elektrischen Kapazität (
DE 34 33 351 A1 ,
DE 36 17 373 A1 ,
DE 38 15 208 A1 ),
auf optischen Wege (US 2001/0023581 A1), induktiv oder auf dem Wirbelstromprinzip (
US 5 203 673 A )
beruhend zu ermitteln. Vorgenannte Prinzipe sind mehr oder weniger
schwingungs-, temperatur- und schmutzempfindlich.
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Aus
der
DE 197 05 769
A1 ist es bekannt, ein Mikrowellen-Radarsystem zu verwenden, um die Position
einer bestimmten Schaufel relativ zum Stator sehr genau zu bestimmen.
Das Radarsysten umfasst eine Sende- und Empfangseinheit, von der
Mikrowellen durch einen Hohlleiter in im Wesentlichen radialer oder
axialer Richtung auf das Schaufelrad gerichtet werden. Befindet
sich eine Schaufelradspitze direkt gegenüber dem Hohlleiterende, werden
die Mikrowellen reflektiert, und aus dem Reflexionssignal kann der
Abstand der Schaufel vom Hohlleiter und somit vom Stator bestimmt
werden. Durch Anbringen mehrerer solcher Hohlleiter auf dem Umfang
des von dem Schaufellrad überstrichenen
Volumens kann der Radialspalt oder Axialspalt an verschiedenen Stellen
des Stators bestimmt werden. Die Anordnung kann auch verwendet werden,
um die Unversehrtheit der Schaufeln zu kontrollieren. Zur Erfassung
der Temperatur müssen
spezielle Temperatursensoren eingesetzt werden.
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In
der US 2003/0094956 A1 ist eine Methode zur Bestimmung des Abstandes
zwischen den rotierenden Laufschaufelspitzen einer Turbine und dem
Stator mittels einer Hybrid-Sensorvorichtung zu bestimmen. Ein Radar-Sensor
ermittelt nach dem Impuls-Echoverfahren
den Abstand zwischen dem Sensor und den rotierenden Laufschaufelspitzen.
Ein zweiter Sensor arbeitet mit Ultraschall und ermittelt gleichfalls
nach dem Impuls-Echoverfahren den Abstand zum Stator. Aus beiden
Messsignalen wird durch Differenzbildung der gewünschte Abstand errechnet. Die
Anordnung hat den Vorteil, dass die Sensoren genügend weit entfernt von den
heißen
Bereichen der Turbine sind und somit ihre Lebenserwartung hoch ist.
Es werden jedoch auf zweierlei physikalischen Prinzipe basierende
Sonden benötigt.
Die Radarsonde ist nicht geeignet für die Beobachtung nichtmetallischer
Bauteile. Über
die Erfassung der Temperatur ist nichts gesagt.
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Aus
DE 36 34 421 A1 ist
eine Anordnung zur Messung und Überwachung
von gegenseitigen Verlagerungen zwischen Rotor und Stator einer
elektrischen Maschine mittels Ultraschall bekannt, wobei mindestens zwei
diametral umfänglich
an einem Stator angeordnete Ultraschall-Sonden auf eine Rotorwelle
gerichtete Schallimpulse abstrahlen und deren Echo wieder empfangen,
und aus den Laufzeiten der Schallimpulse die Lage der Rotorwelle
im Stator und/ oder eine eventuelle Exzentizität der Rotorwelle ermittelt
wird. Eine weitergehende Auswertung der Messwerte erfolgt nicht.
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Aus
DE 100 62 875 A1 ist
weiterhin ein Durchflussmesser für
flüssige
oder gasförmige
Medien mit einer Messkammer bekannt, in der mindestens eine Sende/Empfangseinrichtung
zum aussenden und zum Empfang von Ultraschallsignalen, die die Messkammer
mit und entgegen der Strömungsrichtung
durchsetzen, angeordnet ist. Die Sende/Empfangseinrichtung umfasst
mindestens einen Ultraschallwandler zur Schallerzeugung, wobei mindestens
ein Drucksensor vorgesehen ist, mit dem Schallwellen abhängige Messsignale zur
Schalllaufzeitermittlung erzeugbar sind. Der Schall wird mit Ultraschallwandlern
erzeugt, z. B. piezoelektrischen Elementen, während die Messung der Schalllaufzeit
ausschließlich
mit Hilfe zweier zusätzlichen Drucksensoren
erfolgt. Nach einer Ausprägung
besteht die Möglichkeit,
dass nur ein Ultraschallwandler und ein Drucksensor vorgesehen sind
und die Zeit der Ultraschallsignale zwischen dem Ultraschallwandler
und dem Drucksensor und zurück
gemessen wird, woraus die Differenzlaufzeit ermittelbar ist. Aus
der ermittelten Schalllaufzeit kann dann die Temperatur, Dichte
oder Viskosität
des zu messenden Mediums bestimmt werden. In jedem Falle sind zwei
verschiedene Sensortypen und damit zwei verschiedene Ansteuer- und
Auswerteschaltungen notwendig. Eine Abstandsmessung erfolgt nicht.
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Aus
Ludwig Bergmann: „Der
Ultraschall", 6.
Auflage, 1954, S. 515-516 ist es an sich schon bekannt, aus der
Messung der Laufzeit von Ultraschallwellen die Temperatur der Luft
zu bestimmen. Eine Anwendung zur Abstands- oder Temperaturmessung
in drehenden Maschinen ist nicht angesprochen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit ein und denselben Sensoren
eine eventuelle Verschiebung der Rotorwelle, und/oder eine eventuelle
exzentrische Bewegung der Rotorwelle, und/oder die Spaltgröße zwischen
dem Stator und den vom Rotor mitgenommenen Bauteilen und die mittlere
Temperatur im Schaufelkanal zwischen dem Stator und der Rotorwelle
einer drehenden Maschine, insbesondere eines Axial-Turbo-Luftverdichters,
zu detektieren, wobei bis zum Rotor hineinreichende und/oder zahlreiche
punktförmig
messende Sensoren vermieden werden sollen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
geben die abhängigen
Ansprüche
an.
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Erfindungsgemäß lassen
sich eine radiale Rotorwellenverschiebung, die Spaltgröße und die
mittlere Lufttemperatur zwischen Stator und Rotorwelle mit zwei
oder mehr identischen Ultraschall-Sonden erfassen. Es entfallen
unterschiedliche Sensortypen ebenso wie die üblichen in den Rotorwellenraum
hineinragenden Temperatursensoren. Für die Erfassung der mittleren
Temperatur zwischen Stator und Rotorwelle müssen nicht zahlreiche punktförmig messende
Temperatursensoren eingebaut werden. Das Verfahren eignet sich auch
bei Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe für die Maschine, beispielsweise
Teilen aus kohlefaserverstärkten
Kunststoffen, die in Masse und Preis günstig sind. Die gebotenen Mindestabstände der
Ultraschall-Sonden von der Rotorwelle lassen sich problemlos einhalten.
Im Vergleich zu optischen Verfahren ist das akustische Verfahren
wesentlich unempfindlicher gegenüber
Verschmutzung.
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Die
Erfindung macht sich die wohlbekannte Tatsache zu Nutze, wonach
die Schallgeschwindigkeit in Luft nur von der Temperatur abhängig ist
und nicht vom Luftdruck.
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Es
gilt für
die Schallgeschwindigkeit a in Luft a = √X·R·T (1)mit:
a
Schallgeschwindigkeit,
x Adiabatenkoeffizient (für Luft bei
273,15 K: 1,402),
R Gaskonstante für Luft,
T Temperatur der
Luft in Kelvin.
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Man
sieht, dass mit steigender Temperatur T die Schallgeschwindigkeit
zunimmt.
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Diese
Beziehung gilt, wie Messungen ergeben haben, für Luft praktisch bis in den
Ultraschallbereich hinein.
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Für die Beobachtung
einer eventuellen Verschiebung der Rotorwelle wird die Laufzeit
gemessen, die der Schall senkrecht von der am Stator angebrachten
Ultraschall-Sonde auf seinem Wege zur Rotorwelle und zurück benötigt: τ = 2·l/a (2)mit:
τ Laufzeit
des Schalls vom Stator zur Rotorwelle,
l Abstand zwischen Stator
und Rotorwelle,
a Schallgeschwindigkeit in Luft.
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Hieraus
errechnet sich der Abstand zwischen Stator und Rotorwelle zu: l = τ·a/2. (3)
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Indirekt
erhält
man damit zugleich die Spaltgröße zwischen
den äußeren drehenden
Teilen, beispielsweise der Schaufelspitzen des Laufschaufelrades,
und dem Stator.
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Um
eine Aussage über
eine radiale Verschiebung der Rotorwelle bzw. Spaltänderung
treffen zu können,
werden zwei Ultraschall-Sonden diametral am Stator angeordnet.
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Entsprechend
erfolgt eine Auswertung der gemessenen Schall-Laufzeiten τ1 und τ2 beider
Sonden zu: τ1 =
2·l1/a und (4) τ2 =
2·l2/a zwecks Ermittlung ihrer Laufzeitdifferenz: (5) τ1 = τ2 =
2(l1 – l2)/a. (6)
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Die
radiale Rotorwellenverschiebung bzw. Spaltänderung in der Richtung der
Verbindungslinie von zwei gegenüberliegenden
Ultraschall-Sonden beträgt
demnach:
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Dieser
Wert kann von einer Auswerteeinheit während des Laufs der drehenden
Maschine permanent – entsprechend
dem Ultraschall-Messzeitbedarf – oder
zyklisch ausgegeben bzw. verarbeitet werden.
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Unabhängig von
der Schallgeschwindigkeit a und dem Nennabstand lnenn zwischen
Stator und Rotorwelle ist aus dem Verhältnis der gemessenen Laufzeit
(Gl.(4) und Gl.(5)) τ1/τ2 =
l1 – l2 (8)(gleich,
größer oder
kleiner als der Anfangswert) das Vorzeichen der Spaltänderung
oder Exzentrizität
zu entnehmen. Falls notwendig, erfolgt die Rotor-Umfangswinkel-Zuordnung mit einem Triggerimpulssensor.
Die Vorzeichenzuordnung gilt für
denjenigen Umfangswinkel, um den sich der Rotor während der
gemessenen Laufzeit dreht.
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Die
Schallgeschwindigkeit des Ultraschalls auf dem Wege zwischen Stator
und Rotorwelle hängt
von den dort herrschenden Lufttemperatur-Gradienten ab. Aus den
Laufzeiten des Ultraschalls erhält
man unter Zugrundelegung des Nennabstandes zwischen Stator und Rotorwelle
im Bereich der Sonden eine mittlere Schallgeschwindigkeit: a - = (lnenn,1/τ1 +
lnenn,2/τ2)/2, (9)mit:
lnenn,1 = Nennabstand zwischen Stator und
Rotorwelle an Ultraschall-Sonde 1 und
lnenn,2 =
Nennabstand zwischen Stator und Rotorwelle an Ultraschall-Sonde
2.
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Durch
Einsetzen der mittleren Schallgeschwindigkeit a - in die Gleichung
(1) und Auflösung
dieser Gleichung nach der Temperatur, berechnet sich die mittlere
Lufttemperatur T zwischen dem Stator und der Rotorwelle in der Querschnittsebene
der Ultraschall-Sonden zu:
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Dies
ist der gesuchte Wert.
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In
einer Ausprägung
der Erfindung werden drei Ultraschall-Sonden, jeweils versetzt um 120°, oder vier Ultraschall-Sonden, jeweils versetzt
um 90°,
umfänglich
am Stator angeordnet, wodurch die Mittelpunktskurve eines Rotors
durch gerichtete Exzentrizität
oder – unter
Umständen
abschnittsweise – umlaufende
Exzentrizität
beobachtet werden kann.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnung
zeigt:
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1 stark schematisiert einen
Querausschnitt durch einen Axial-Turbo-Luftverdichter und
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2 einen Längsausschnitt
hierzu, ebenfalls stark schematisiert.
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Von
dem Axial-Turbo-Luftverdichter ist ein äußeres, rohrförmiges Gehäuse, nämlich der
Stator 1, dargestellt. Leitschaufelringringe 2 sind
Bestandteil des Stators 1 oder an seiner Innenwand befestigt.
Innerhalb des Stators 1 läuft eine Rotorwelle 3.
Ein Laufschaufelrad mit peripheren angeordneten Laufschaufeln 4 sitzt fest
auf der Rotorwelle 3. Das Laufschaufelrad läuft zwischen
zwei Leitschaufelringen 2. Es können mehrere Leitschaufelringe 2 und
Laufschaufelräder
im Wechsel axial hintereinandergeschaltet sein. Die Rotorwelle 3 wird
von einem nicht dargestellten Motor angetrieben. Mit 5 ist
der Spalt zwischen den Spitzen der Laufschaufeln 4 zum
Stator 1 bezeichnet. Diametral am Stator 1 sitzen
die angepassten Anschlussflächen 6 nach
dem Sensorblindbereich und eventuell einem Wellenleiter für den Wärmeschutz
von mindestens zwei Ultraschall-Sonden, beispielsweise Ultraschall-Sender/Empfänger-Einheiten,
von denen eine stark schematisiert dargestellt ist. Jede Ultraschall-Sonde
sendet eine radial ausgerichtete Schallkeule in einem Spalt 7 zwischen einem
Leitschaufelring 2 des Stators 1 und den Laufschaufeln 4 bis
auf die Rotorwelle 3. Die Schallwellenimpulse werden bei spielsweise
im Ultraschallbereich ausgestrahlt. Von der Rotorwelle 3 werden
diese Impulse reflektiert und von den Ultraschall-n Sonden wieder
empfangen. Hierzu können
die Ultraschall-n Sonden zwischen zwei abgestrahlten Schallimpulsen
von Sender zu Empfänger
und umgekehrt umgeschaltet werden. Sender und Empfänger können beispielsweise
mit Hilfe eines Piezo-Quarzes arbeiten. Die Ultraschall-Sonden erfassen
somit die Höhe
des Schaufelkanals, also den lichten Abstand zwischen dem Stator
und der Rotorwelle an zwei diametral liegenden Stellen. Aus der
Differenz der Laufzeit beider Schallimpulse lässt sich eine eventuelle Verschiebung
der Rotorwelle 3 beobachten und berechnen. Der Spalt 5 über den
Spitzen der Laufschaufeln 4 wird indirekt mit ermittelt,
da die Abmessungen des Laufschaufelrades bekannt sind.
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Da
die Laufzeit (longitudinaler) Luftschallwellen abhängig von
der Dichte der Luft und damit von der Lufttemperatur ist, nicht
aber vom Luftdruck, kann aus den Schall-Laufzeiten außerdem,
wie oben angegeben, die mittlere Lufttemperatur zwischen dem Stator
und der Rotorwelle im Schaufelkanal ermittelt werden. Es bedarf
also keiner Vielzahl zusätzlicher,
in den Schaufelkanal mehr oder weniger hineinragender, punktförmiger Temperatursensoren.
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Bevorzugt
sind drei oder vier Ultraschall-Sonden umfänglich an der Statorinnenwand
im Abstand von 120° bzw.
90° versetzt
angeordnet, aus deren Schall-Laufzeiten sich die Rotormittelpunktkurve
(Exzentrizität des
Rotors 3) errechnen lässt.
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Die
Ultraschall-Sonden können
in allen oder ausgewählten
Stufen des Axial-Turbo-Luftverdichters vorgesehen werden. Sie arbeiten
im Ultraschallbereich oder mit anderen, dem Messverfahren angepasste
Frequenzen.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Beobachten von Axial-Turbo-Verdichtern beschränkt. Ersichtlich
lassen sich auf diese Weise auch Spalte, radiale Rotorwellenverschiebungen
oder Exzentrizitäten
an sonstigen Strömungsmaschinen,
an drehenden elektrischen Maschinen oder ganz allgemein, Spalte
zwischen sich bewegenden Teilen, gewinnbringend ausmessen.
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Anhand
eines Rechenbeispiels sollen nachstehend die radiale Auslenkung
eines Rotors und die mittlere Temperatur im Schaufelkanal einer
Turbine ermittelt werden.
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Gegeben
sei:
Abstand lnenn1,2 = 60,0 mm,
Abstand
l1 = 60,3 mm und gegenüberliegend Abstand l2 = 59,7 mm;
Lufttemperatur T = 333,0
K;
Adiabatenkoeffizient x = 1,4;
Gaskonstante RLuft = 287 J/kg·K für trockene Luft.
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Die
Gaskonstante R
gem von Gemischen ist die
Summe der mit den Massenanteilen M
i/M
ges gewichteten Gaskonstanten R
i der
Komponenten (für
Wasserdampf z.B. R
gem = 461,5 J/kg·K)
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Beispielhafe Messgrößen:
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- Schall-Laufzeit τ1 = 0,3297 ms
- Schall-Laufzeit τ2 = 0,3264 ms
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Auswertung:
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Vorzeichen der Rotorverschiebung:
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l1/l2 = τ1/τ2 =
1,010; das heißt:
l1 > l2.
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Mittlere
Schallgeschwindigkeit a - mit
lnenn,1 =
60,0 mm
lnenn,2 = 60,0 mm a - = 4·lnenn/(τ1 – τ2)
= 365,8 m/s.
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Radiale Rotorauslenkung:
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Δl
= a -·(τ1 – τ2)/2
= 0,60 mm.
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Mittlere Lufttemperatur
im Schaufelkanal:
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T - = a -2/(x·R) = 333,0
K.
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Tabellarisch
seien beispielhaft für
drei verschiedene Rotordrehfrequenzen die Rotordrehwinkel während der
an der Ultraschall-Sonde 1 gemessenen Schall-Laufzeit τ
1 =
0,3297 ms mit l
nenn,1 = 60,0 mm angegeben:
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- 1
- Stator
- 2
- Leitschaufelring
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Laufschaufel
- 5
- Spalt
zwischen Stator und Laufschaufelspitzen
- 6
- Sondenanschlussfläche einer
Ultraschall-Sonde
- 7
- Spalt
zwischen zwei Leitschaufeln
