DE1423599A1

DE1423599A1 - Vorrichtung zur Messung der relativen Axialverschiebung eines Rotors gegenueber dem Stator einer z.B. Gasturbine

Info

Publication number: DE1423599A1
Application number: DE19611423599
Authority: DE
Inventors: Holz Robert Gustave
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1960-11-07
Filing date: 1961-11-06
Publication date: 1968-10-10
Also published as: US3190125A; FR1281292A; GB1003699A; DE1423599B2

Description

Vorrichtung zur Messung der relativen Arialverschiebung eines Rotors gegenüber dem Stator einer z. B. Gasturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der relativen Axialverschiebung eines Rotors gegenüber dem Stator einer z. B. Gasturbine mit einem beweglichen, am Umfang des Rotors befestigten und einem feststehenden, am Stator befestigten Glied.
Der Einsatz von Stahltriebwerken auf immer schneller fliegenden Flugzeugen hat das allmähliche Verlassen der Leichtmetallegierungen für umlaufende Teile infolge der durch die kinetische Erhitzung begünstigten Fliesserscheinung zur Polge gehabt, während aus Gewichtsgründen die Leichtmetalllegierungen nach Möglichkeit für die nichtumlaufenden Teile beibehalten wurden. Aus den Dehnungsunterschieden entstehen beträchtliche Relativverschiebungen, welche eine Vergrösserung der Spiele erfordern, was stets mit Verlusten verbunden ist.
Die genaue Kenntnis der Veränderung der Spiele je nach dem Betriebszustand und den Betriebsbedingungen ist demzufolge zur optimalen Bestimmung der Ahmessungen sehr wichtig.
Die Erfindung gestattet die augenblickliche Messung der relativen Axialverschiebung zwischen dem Rotor und dem Stator einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine.
Diese Messung ist infolge der sehr harten Demperaturbe dingungen und der Schwingungen. sehr schwierig.
Es ist ein Verfahren zur Breitenmessung von Gegenständen, vorzugsweise von bandförmigen Gut, das nicht kontinuierlich an der Messtelle vorbeigehen kann, bekannt, bei welchem die Breitenmessung zur unmittelbaren oder mittelbaren Übertragung des Messergebnisses auf optischem und elektrischem Wege mit Hilfe von Bernsehgeräten durchgeführt wird. Die optischen Achsen der Fernsehgeräte sind dabei zueinander schräg gestellt. Auch bei dem erfindungsgemässen Verfahren dienen zwei sueinander geneigte Elemente zu u einer Messung. Weitere Berührungspunkte zwischen den beiden Verfahren bestehen nicht.
Es ist weiter eine An-ordnung zur Messung des Spiels zwischen dem Gehäuse und den Laufschaufeln von Strömungsmaschinen bekannt, bei der eine aus der mechanik schen Frequenz der Laufschaufeln mit Hilfe im Gehäuse der Maschine eingebauter Elektroden abgeleitete elektrische Frequenz als Hilfsfrequenz für die Messung des Spiels dient. Das Spiel, das mit dieser Anordnung gemessen werden soll, ist das radiale Spiel zwischen dem zylindrischen Mantel des Gehäuses und den freien Enden der Schaufeln, nicht, wie bei der erfindungsgemässen Anordnung,das Spiel in der Axialrichtung. war schliesslich bekannt, das Radial- oder Axialspiel der Laufräder von Turbinen und ähnlichen Maschinen mit Hilfe magnetisch-elektrischer Mittel zu messen, die teils am Laufrad, teils am gegenüberliegenden Gehause angeordnet sind und sich bei jedem Umlauf überstreichen.
Dabei können die magnetisch-elektrischen Mittel aus einem am Laufrad angeordneten Dauermagnet und einer am Gehäuse angeordneten indutionsempfindlichen Einrichtung bestehen und die z.B. mit Hilfe eines integrierenden Verstärkers aus den Induktionsspannungsstössen ermittelte Spannungszeitfläche als Mass für das zu bestimmende Laufradspiel dienen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung beruht auf einem ganz anderen Prinzip. Sie wertet in an sich bekannter Weise einen elektrischen Vorgang aus, der durch den Vorbeigang eines beweglichen, von einer Rotorschaufel an deren Umfang getragenen Gliedes vor einem feststehenden, von einem Stator getragenen, einer elektrischen Einrichtung gehörenden Glied in dieser hervorgerufen wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Glieder aus einer ersten Elektrode besteht, die zwei Schekel aufweist, welche zueinander und mit der Querebene der Turbine Winkel bilden, dass das andere der beiden Glieder aus einer zweiten Elektrode besteht, die in einer die beiden Schenkel der ersten Elektrode schneidenden Querebene liegt, und dass eine elektrische Messeinrichtung, z. B. ein Oszillograph, vorgesehen ist, der den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Zeitpunkten misst, zu denen sich die zweite Elektrode gegenüber dem einen bzw. dem anderen Schenkel der ersten Elektrode befindet.
Es ist konstruktiv vorteilhafter, die zweischenkelige Elektrode auf dem Stator und die andere Elektrode auf dem Rotor anzuordnen.
Gemäss einer Ausführungsform dieser Vorrichtung weist die feste Elektrode drei Schenkel auf, von denen zwei zu der Drehachse der Turb@ne parallel sind, während der dritte Schenkel schräg liegt und in dem Zwischenraum zwischen diesen beiden parallelen Schenkeln angeordnet ist. Der schräge Schenkel ist zweckmässig ebenfalls geradlinig, und seine Schräglage beträgt vorzugsweise 45°.
Zur Vereinfachung der Ausbildung der elektronischen Anordnung sieht die Erfindung die Verbindung der umlaufenden Elektrode masseseitig über die Lager des Rotors vor.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht der Turbine bei teilweise aufgebrochenem Gehäuse, welche durch ein Schaltbild des Messkreises vervollständigt ist.
Fig. 2 veranschaulicht die Sichtbarmachung der impulse auf dem Schirm eines Oszillographen.
Bei der dargestellten Ausführungsform hat die feste Elektrode 1 die Porm eines Z und weist zwei zu der Achse der Turbine parallele Rippen und eine, zwischen den beiden ersten liegende, um 450 geneigte Rippen auf. Diese vom Turbinenstator 2 angebrachte Elektrode ist von Masse isoliert und mit einer Klemme 5 ausserhalb des Stators 2 verbunden. Die umlaufende Elektrode 3 wird durch einen kleinen Stift gebildet, welcher an dem Umfang einer SchauSel 4 des nicht näher bezeichneten Rotors angebracht ist.
Die umlaufende Elektrode 9 ist über die Lager der Welle des Rotors mit Masse verbunden, während die feste Elektrode 1 durch anschluß der Klemme 5 an eine Stromquelle 6 über einen Widerstand 7 unter Spannung gesetzt wird. Hierdurch entsteht ein elektrischer Stromkreis mit einem zwischen der Elektrode 3 und der Wand des Stators 2 begrenzten Luftspalt. Dieser auf dem grössten Teil einer Umdrehung des Rotors konstante Luftspalt wird bei jeder Umdrehung dreimal plötzlich unterbrochen, nämlich im Augenblick des Vorbeigangs des Stiftes 3 vor den drei Rippen der z-förmigen Elektrode 1.
Diese Luftspaltänderungen bewirken Kapazitätsänderungen, welche Impulse in dem elektrischen Stromkreis zur Folge haben, und zwar drei Impulse bei jeder vollständigen Umdrehung des Rotors.
Dieae Impulse, welche die bei 8 dargestellte abgerundete Form haben, werden an einer Selle 9 des Stromkreises abgenommen, an einen verstärkten Impuls 11 liefernden Vorverstärker lo angelegt und in einer Umforinstufe 12 mit konstanter Amplitude in ein Rechteck-Signal 13 umgeformt.
Dieses wird seinerseits in einem kurzen linearen Impuls als Linie 27 umgewandelt, welche auf dem Schirm 15 eines Oszillographen 16 sichtbar gemacht wird. Bei geeigneter Einstellung desselben erscheinen auf dem Schirm drei als Linien 17 dargestellte Impulse, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Stellung einer jeden Linie 17 einem bestimmten Zeitpunkt entspricht.
Die obige Vorrichtung arbeitet folgendermassen: Bei einer relativen Axialverschiebung des Rotors und des Stators 2 der Turbine werden der erste und der dritte Impuls, welche bei jeder Umdrehung des Rotors beim Vorbeigang der Elektrode 3 vor den beiden, zu der Achse parallelen Rippen der Elektrode 1 erzeugt werden, nicht beeinflusst, so dass die erste und die dritte Linie 17 auf dem Schirm 15 des Oszillographen 16 unverändert bleiben, vorausgesetzt natürlich, dass die Drehzahl konstant bleibt (diese beiden Linien 17 nähern sich einander bei einer Beschleunigung, während sie sich bei einer Verzögerung von einander entfernen.) Der zweite, beim Vorbeigang der Elektrode 3 vor der diagonalen Rippe der festen Elektrode 1 erzeugte Impuls, ändert sich dagegen entsprechend der Grösse der Axialverschiebung, so dass sich die zweite auf dem Schirm 15 erscheinende Linie 17, je nachdem, der einen oder der anderen aussenliegenden Linie 17 nähert. Die Drehzahl kann dann jederzeit aus dem Abstand zwischen der ersten und der dritten Linie 17 abgeleitet werden, während die Axialverschiebung des Rotors durch den Abstand der ersten von der zweiten Linie gegeben ist. Bei konstanter Drehzahl gestattet die Einstellung der Zeitablenkung, eine geeignete Stellung für den dritten Impuls zu wählen, wobei der Abstand zwischen diesem und dem ersten zeitlich konstant ist.
Der so gewählte Masstab ermöglicht die Ermittlung der Axialverschiebung des Rotors durch einfache Messung der Verschiebung des zweiten Impulses.
Anders ausgedrückt, die aussenliegenden Impulse bilden eine dauernde Eichung, und der mittlere Impuls gibt die axiale Stellung des Turbinenrades an.
Es ist zu bemerken, dass die Messung unabhängig von Veränderungen des Radialspiels ist, da die Amplitude der erzeugten Spannungsänderung nicht berücksichtigt wird.
Es ist ferner zu bemerken, dass die Wahl eines winkels von 450 für die hräg1age der diagonalen Rippe der Elektrode 1 eine direkte Ermittlung der Axialverschiebung gestattet, ohne dass irgendein von dieser Schräglage herrührender Proportionalitätsfaktor eingeht.
Die obige Anordnung bietet den Vorteil, dass sie nur die Verlegung einer einzigen Leitung am Motor erfordert, und zwar an einem nichtumlaufenden Teil. Die in der Nähe angeordnete Vorverstärkerstufe hat nur einen kleinen Platzbedarf.
Die anderen Apparate können in einiger Entfernung angeordnet werden, z. B. im Messaal.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Vorrichtung zur Messung der relativen Axialverschiebung eines Rotors gegenüber dem Stator einer z.B. Gasturbine mit einem beweglichen, am Umfang des Rotors befestigten und einem feststehenden, am Stator befestigten Glied, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Glieder aus einer ersten Elektrode (1) besteht, die zwei Schenkel aufweist, welche zueinander und mit der Querebene der Turbine Winkel bilden, dass das andere der beiden Glieder aus einer zweiten Elektrode (5) besteht, die in einer die beiden Schenkel der ersten Elektrode (1) schneidenden Querebene liegt, und dass eine elektrische Messeinrichtung, z.B. ein Oszillograph (16) vorgesehen ist, der den zeitlichen Abstand zwischen deu beiden Zeitpunkten misst, zu denen sich die zweite Elektrode (3) gegenüber dem einen bzw. dem anderen Schenkel der ersten Elektrode (1) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erste sweischenklige Elektrode (1) auf dem Stator (2) und die zweite Elektrode (3) auf dem Rotor angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Schenkel der ersten Elektrode (1) parallel zur Drehachse der Turbine verläuft.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der schrägverlaufende Schenkel der zweischenkligen Elektrode (1) geradlinig verläuft.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel der zweischenkligen Elektrode (1) einen Winkel von 450 zueinander einschliessen.
6. Vorrichtung nach einem der Anqrüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die auf dem Rotor angeordnete Elektrode (3) über die Lager des Rotors mit Masse verbunden ist, während an die auf dem Stator (2) angeordnete Elektrode (1) eine Spannung angelegt ist.